手電筒聚光鏡片對光線的馴服與引導

手電筒的核心光學任務，是將LED或燈泡發出的、向四周散射的雜亂光線，匯聚成一束方向性強的明亮光柱。這一任務主要由手電筒聚光鏡片完成，其核心原理是光的折射與反射定律。
手電筒聚光鏡片聚光利用折射彎曲光線。此類手電筒頭部通常使用一塊凸透鏡。其原理類似于放大鏡。當LED發出的光線從透鏡一側射入空氣時，會發生折射。透鏡的曲面經過計算。來自光源中心的光線垂直通過透鏡時，基本不改變方向；而光源邊緣發出的、與主軸成較大夾角的光線，在穿過透鏡曲面時，會根據斯涅爾折射定律發生顯著偏折。所有經過折射的光線被重新導向，在主光軸前方的一個區域相交，形成光斑。通過調整透鏡的曲率、焦距以及與光源的距離，可以控制光斑的大小和匯聚強度，實現從泛光到遠射的調節。
反光杯式聚光利用反射收集光線。這是更主流、效率更高的方式。反光杯內壁是一個高度拋光的拋物面。拋物面擁有一個幾何性質，其焦點發出的所有光線，經拋物面反射后，反射光都將平行于其主光軸射出。手電筒的設計正是將LED芯片放置在反光杯的焦點位置。LED向后方和側方發射的、原本會浪費掉的大部分光線，照射到反光杯的拋物面上，被反射后全部變為向前平行的光束。這很大地提高了光線利用率，形成了集中、照射距離遠的核心光斑。現代手電筒常將兩者結合，使用反光杯作為主聚光器，同時在頂覆蓋一層平面或微透鏡玻璃，并非用于聚光，主要起保護與防塵作用，有時也做柔光處理。
總結而言，手電筒的聚光，是通過精密的光學曲面，主動地馴服并重新規劃每一條光線的傳播路徑，將無序的散射光轉化為有序的平行光束，從而實現從照亮周圍到照亮遠方的跨越。