手電筒的核心光學(xué)任務(wù)，是將LED或燈泡發(fā)出的、向四周散射的雜亂光線，匯聚成一束方向性強(qiáng)的明亮光柱。這一任務(wù)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(dāng)LED發(fā)出的光線從透鏡一側(cè)射入空氣時(shí)，會(huì)發(fā)生折射。透鏡的曲面經(jīng)過(guò)計(jì)算。來(lái)自光源中心的光線垂直通過(guò)透鏡時(shí)，基本不改變方向；而光源邊緣發(fā)出的、與主軸成較大夾角的光線，在穿過(guò)透鏡曲面時(shí)，會(huì)根據(jù)斯涅爾折射定律發(fā)生顯著偏折。所有經(jīng)過(guò)折射的光線被重新導(dǎo)向，在主光軸前方的一個(gè)區(qū)域相交，形成光斑。通過(guò)調(diào)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(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)從泛光到遠(yuǎn)射的調(diào)節(jié)。
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(nèi)壁是一個(gè)高度拋光的拋物面。拋物面擁有一個(gè)幾何性質(zhì)，其焦點(diǎn)發(fā)出的所有光線，經(jīng)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(shè)計(jì)正是將LED芯片放置在反光杯的焦點(diǎn)位置。LED向后方和側(cè)方發(fā)射的、原本會(huì)浪費(fèi)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?yōu)橄蚯捌叫械墓馐?。這很大地提高了光線利用率，形成了集中、照射距離遠(yuǎn)的核心光斑?，F(xiàn)代手電筒常將兩者結(jié)合，使用反光杯作為主聚光器，同時(shí)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(hù)與防塵作用，有時(shí)也做柔光處理。
總結(jié)而言，手電筒的聚光，是通過(guò)精密的光學(xué)曲面，主動(dòng)地馴服并重新規(guī)劃每一條光線的傳播路徑，將無(wú)序的散射光轉(zhuǎn)化為有序的平行光束，從而實(shí)現(xiàn)從照亮周圍到照亮遠(yuǎn)方的跨越。