大多數(shù)光學(xué)透鏡都具有球面，因?yàn)樗鼈兛梢宰钊菀椎匾愿吖鈱W(xué)質(zhì)量制造。然而，這種表面形狀對(duì)于成像來(lái)說(shuō)并不理想。鏡片的外部部分彎曲得太厲害。當(dāng)考慮球透鏡時(shí)，這一點(diǎn)最為明顯。圖 1 展示了直徑為 10 mm、折射率為 1.515的球透鏡（N-BK7玻璃，波長(zhǎng)為 633 nm）的情況，該透鏡用于聚焦平行入射光。外部入射光線比近軸光線更快地穿過(guò)光軸。

圖1:用球透鏡聚焦光。雖然近軸光線具有灰色垂直線所示的焦點(diǎn)位置，但外部光線的折射更強(qiáng)烈。因此，此類(lèi)鏡頭在成像時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的球差。

圖2:用球透鏡聚焦發(fā)散光。

當(dāng)使用具有球面的透鏡進(jìn)行成像應(yīng)用時(shí)，所解釋的效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致所謂的球面像差，從而嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量。同樣，使用球面透鏡聚焦或準(zhǔn)直，激光束會(huì)導(dǎo)致光束畸變。

在許多情況下，像差效應(yīng)遠(yuǎn)沒(méi)有上面所示的球透鏡那么嚴(yán)重，因?yàn)樗婕暗那什⒉荒敲磸?qiáng)。

平板的球面像差

球面像差的問(wèn)題可以推廣到與相位變化的非理想徑向相關(guān)性相關(guān)的所有像差。當(dāng)發(fā)散或會(huì)聚的光穿過(guò)平面平行板時(shí)，即使對(duì)于平面表面也可能發(fā)生這種情況。這主要是因?yàn)?/span>折射包含正弦函數(shù)而不是正切函數(shù)，這是避免球面像差所必需的。

圖3顯示了一個(gè)示例案例。

圖3:當(dāng)會(huì)聚光線穿過(guò)平板時(shí)，它們不再在一個(gè)共同的焦點(diǎn)相遇。

球面像差的量化

光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)元件（例如透鏡）的球面像差強(qiáng)度通常通過(guò)繪制圖像焦點(diǎn)縱向位置的偏差作為入射光線橫向偏移的函數(shù)來(lái)量化。通常，人們會(huì)交換坐標(biāo)軸，以便得到的圖更接近于水平光軸。上述位置誤差可能與橫向光束坐標(biāo)的平方成比例，但在球面像差得到部分補(bǔ)償?shù)那闆r下（見(jiàn)下文），該補(bǔ)償可能適用于特定的水平偏移，但不適用于其他偏移。

減少球面的像差

球面像差可以用不同的方法減少:

· 最簡(jiǎn)單的方法是用光學(xué)孔徑限制入射光的面積。這樣，就可以防止球差最嚴(yán)重的外部區(qū)域?qū)D像產(chǎn)生影響。然而，這意味著光通量降低。

· 人們可以使用非球面透鏡，它改變了表面形狀，從而避免了球面像差。

· 人們可以使用球面透鏡的組合，其設(shè)計(jì)可以很好地補(bǔ)償球面像差。例如，這種方法經(jīng)常用于攝影目標(biāo)。

在某種程度上，我們還可以根據(jù)所需的配置選擇合適類(lèi)型的鏡頭來(lái)減少球面像差（見(jiàn)圖 3）：

· 對(duì)于將小光斑成像為相同尺寸的光斑，對(duì)稱雙凸透鏡非常適合。然而，最好組合使用兩個(gè)平凸透鏡，且平面位于外側(cè)。

· 對(duì)于非對(duì)稱應(yīng)用，例如聚焦準(zhǔn)直光束或準(zhǔn)直強(qiáng)發(fā)散光束，平凸透鏡可能更合適。最好的解決方案實(shí)際上是兩側(cè)曲率半徑均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的非對(duì)稱透鏡，但平凸透鏡通常足夠接近。它的定向必須使彎曲表面位于準(zhǔn)直光束的一側(cè)。兩個(gè)透鏡表面都有助于聚焦作用。

 

圖4:推薦用于重新聚焦和準(zhǔn)直的鏡頭類(lèi)型。對(duì)稱重聚焦的中間情況在像差方面比第一種情況更好，但由于兩個(gè)額外的光學(xué)表面可能具有更高的損耗。

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該使用這樣的透鏡，使得兩個(gè)表面對(duì)聚焦作用的貢獻(xiàn)相似。

非球面光學(xué)器件改進(jìn)的光學(xué)制造方法的發(fā)展導(dǎo)致其使用量的增加，使制造商能夠用更少的透鏡制造高性能物鏡，這也可以提高光通量。但請(qǐng)注意，其他類(lèi)型的光學(xué)像差仍然可能發(fā)生。