搭光路时用的那些片，看着都是透明或发亮的一块，作用却完全不同：有的让光拐弯会聚，有的让光原路折返，有的把一束白光拆成彩虹，有的什么也不做、只负责挡住外面的灰尘。

把它们分清楚，靠的不是形状，而是靠什么在起作用：折射、反射、色散还是单纯透过。按这个分，四类元件的特性与短板也跟着分开了。

一、四类元件，四种机制

透镜靠折射。光从空气进玻璃再出玻璃，两个界面各弯一次，合起来就改变了会聚状态。

反射镜靠反射。光不进材料内部，在最表面那层膜上就折返回来，因此与材料的透明程度无关。

棱镜两种方式都用：利用折射率随波长变化可以分光；利用入射角大于临界角时的全反射可以改变方向。

窗口片什么都不改，只把内外隔开。它两面平行，光进出各弯一次又弯回来，出射方向与入射平行。

还有一种常被忽略的差别：材料是否透明。透镜与棱镜要求光穿过去，材料必须在使用波段内透明；反射镜只要求表面那层膜反射，基底用什么都行。因此红外波段常用锗、硅这类不透可见光的材料做透镜，而反射镜的基底可以随意。

还有一条容易算错：厚透镜不能当薄透镜处理。镜片有厚度时，两个折射面之间还有一段距离，焦距要按两个面的曲率与厚度一起算，主平面也不再在镜片中心。镜组越厚、曲率越大，与薄透镜公式的偏差越明显，设计阶段要用真实参数核算。

二、透镜：焦距的正负

透镜只有两种：凸透镜与凹透镜，区别就在于焦距的正负。

图1：两种透镜

凸透镜中间厚、边缘薄，把平行光会聚到一点，焦距为正。凹透镜相反，中间薄、边缘厚，平行光穿过后发散，把出射光线反向延长会交于一点，那个点是虚焦点，焦距为负。

薄透镜的成像用一条式子描述：焦距分之一等于物距分之一加像距分之一。物距大于两倍焦距时成缩小的实像，在一倍到两倍之间成放大的实像，小于一倍焦距则成放大的虚像——放大镜就是这个用法。

还有一点值得留意：镜片两面都会反射。不镀膜时每个界面约反射百分之四，两片就是百分之八，片数一多损失相当可观，还会在像面上形成重影与光斑。因此透镜几乎都镀增透膜，镀膜后单个界面的反射可以降到百分之一以下。

反射镜还有一项与透镜不同的约束：入射角不能太大。大角度斜入射时，反射率随偏振变化明显，两种偏振的相位差也会改变，线偏振可能变成椭圆偏振。因此反射镜多用于四十五度以内的折转，接近掠入射的用法要专门设计。

三、反射镜：不受色差影响

反射镜按面形分三种，效果与透镜一一对应，但方向相反。

图2：反射镜的三种面形

平面镜只改变方向，不改变会聚状态。凹面镜把光会聚，相当于凸透镜；凸面镜把光发散，相当于凹透镜，常用于扩大视野。

反射镜最大的好处是没有色差。因为光根本没进材料，不同波长走的是同一条路、反射的是同一个角度，焦点位置不随波长变化。这一点在宽波段与紫外、红外系统里尤其重要，也是大口径天文望远镜用反射镜而非透镜的根本原因。

代价也有几条。一是会使像翻转：奇数次反射左右翻转，偶数次还原，判断方向时要算进去。二是镀膜在最外面一层，暴露在外，擦拭不当很容易留下划痕。三是镀膜分两类：金属膜波段很宽但反射率略低，介质膜在设计波段内反射率极高、波段外迅速下降。

还有一种常见用法：色散补偿。光在材料中传播，不同波长速度不同，短脉冲经过一段距离后会被拉长。用一对棱镜提供反向的色散，可以把拉长的脉冲重新压回去。这与用棱镜分光是同一个原理，目的却正好相反。

四、棱镜：分光与转向

棱镜有两样本事，分别对应两种用法。

图3：棱镜的两样本事

第-一样是色散。材料的折射率随波长变化——短波折射率大、偏折多，长波折射率小、偏折少。于是白光进去、不同颜色朝不同角度出来，散成一片。这是最早的分光方式，光谱仪那一篇讲过它。

第二样是全反射。入射角大到超过临界角时，光不再有折射出去的分量，全部反射回来，几乎没有损耗。直角棱镜就靠这个把光路折九十度或一百八十度，效率比普通反射镜更高，而且角度由几何保证，不怕装偏。

要注意的是，用棱镜转向会同时改变像的朝向，且不同波长的偏折角不同——这与反射镜正好相反。需要严格保持方向一致时，反射镜更合适。

窗口片还要考虑平行度与面形。两面若不严格平行，就会引入额外的光程差；面形不平则相当于加了一片弱透镜，会改变波前。用于干涉或高分辨成像时，这两项都有明确指标，通常以波长为单位给出，数值越小越好。

五、窗口片：看着最不起眼

窗口片不改变成像，它的职责是把内外隔开：防尘、防潮、隔气压，同时让光顺利通过。

图4：平行平板与楔形窗

两面严格平行时，光进出各偏一次又偏回来，出射与入射平行，只是横向平移了一点。平移量随厚度与入射角增加，但方向不变，也没有放大作用。因此它插在光路里不会改变成像位置，这一点很方便。

若两面有微小夹角，就成了楔形窗。它会产生一个很小的偏向角，约为楔角乘以折射率减一。做窗口片时这是要避免的缺陷，但也可以故意利用——用两片楔形窗相对转动，就能得到连续可调的微小偏向。

还有一点常被忽略：两个面都会反射。平行平板的两次反射光彼此平行，会在像面上形成与主像错开的重影。镀增透膜能把每个界面的反射压到百分之一以下，重影也就随之消失。

像差还有一类与视场有关：场曲与畸变。场曲使平物体成像在一个弯曲面上，畸变则让直线变成弯曲。前者影响边缘清晰度，后者影响尺寸测量的准确性——做计量用途时，畸变往往是最该先校正的一项。

六、单片透镜为什么不够

如果单片透镜完美，光学设计就不会这么复杂。问题出在像差上。

图5：球差与色差

球差是边缘光线与中心光线不共焦：球面透镜的边缘把光弯得更厉害，焦点比中心光线更近，结果像点成了一个模糊的圆斑。口径越大越明显，收小光圈可以减轻。

色差是不同波长的焦点位置不同：短波折射率大、焦距短，长波折射率小、焦距长。单片透镜无法消除，只能把正负焦距的两片组合起来，用材料与曲率的搭配让两者的色差互相抵消，这就是消色差透镜。

此外还有像散与彗差，它们在斜入射时才显现，使离轴的点变成短线或不对称的形状。多片透镜的组合，本质上就是让各自的偏差互相抵消。

最-后一项容易被忽略：拿取与清洁。光学表面不能用手直接触碰，指纹中的油脂会附着并可能腐蚀镀膜；清洁要用专用擦拭纸配合溶剂，从中心向外轻拭，不可干擦或用普通布料。镀膜面的耐擦拭能力远低于裸玻璃，操作时更要小心。

七、总结

四类元件按机制分开：折射、反射、色散、透过。选件时先想清楚要的是会聚、折转、分光还是隔离，再对号入座。

要会聚用透镜，要宽波段无色差用反射镜，两者对像的翻转影响不同。

棱镜靠色散分光、靠全反射转向，偏折角随波长变化，与反射镜不同。

窗口片不改变成像，但两面反射会造成重影，镀增透膜可压低。

图6：四类基础元件怎么选

还有两项与元件本身无关，却常决定成败：材料与镀膜。材料要在使用波段内透明——可见光用玻璃，红外要用锗、硅、硒化锌这类专门材料，选错了光根本过不去。镀膜则决定了反射与透射的效率，也决定了能承受多大功率。

需要说明的是，元件解决的是「让光按需要走」的问题，它无法弥补设计上的不匹配。焦距选错、口径不足、波段不对，后面配得再齐也达不到要求。这几个环节里任何一处没想清楚，元件堆得再多也无济于事。