球面像差校正

非球面透镜其中所带来的显著的好处，就是它能(néng)够进行球面像差校正。球面像差是由使用(yòng)球面表面来聚焦或对准光線(xiàn)而产生的。因此，换句话说，所有(yǒu)的球面表面，无论是否存在任何的测量误差和制造误差，都会出现球差，因此，它们都会需要一个不是球面的、或非球面的表面，对其进行校正。通过对圆锥常数和非球面系数进行调整，任何的非球面透镜都可(kě)以得到优化，以大限度地减小(xiǎo)像差。其展示了一个带有(yǒu)显著球面像差的球面透镜，以及一个几乎没有(yǒu)任何球差的非球面透镜。球透镜中所出现的球差将让入射的光線(xiàn)往许多(duō)不同的定点聚焦，产生模糊的图像；而在非球面透镜中，所有(yǒu)不同的光線(xiàn)都会聚焦在同一个定点上，因此相较而言产生较不模糊及质量更加的图像。

為(wèi)了更好的理(lǐ)解非球面透镜和球面透镜在聚焦性能(néng)方面的差异，请参考一个量化的范例，其中我们会观察两个直径25mm和焦距25mm的相等透镜（f/1透镜）。下表比较了轴上（0°物(wù)角）和轴外（0.5°和1.0°物(wù)角）的平行、单色光線(xiàn)（波長(cháng)為(wèi)587.6nm）所产生的光点或模糊大小(xiǎo)。非球面透镜的光斑尺寸比球面透镜小(xiǎo)几个数量级。

 带有(yǒu)球差的球透镜，以及几乎没有(yǒu)任何球差的非球面透镜

尽管市面上也有(yǒu)着许许多(duō)多(duō)不同的技术来校正由球面表面所产生的像差，但是，这些其他(tā)的技术在成像性能(néng)和灵活性方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及非球面透镜所能(néng)提供的。另一种广泛使用(yòng)的技术包括了通过“缩小(xiǎo)”透镜来增加f/#。虽然这么做可(kě)以提高图像的质量，但也将减少系统中的光通量，因此，这两者之间是存在权衡关系的。

而在另一方面，使用(yòng)非球面透镜的时候，其额外的像差校正支持用(yòng)户在实现高光通量（低f/#，高数值孔径）的系统设计同时，依然保持良好的图像质量。更高的光通量设计所导致的图像退化是可(kě)以持续的，因為(wèi)一个轻微降低的图像质量所提供的性能(néng)仍然会高于球面系统所能(néng)提供的性能(néng)。考虑一个焦距81.5mm、f/2的三合透镜，第一种由三个球面表面组成，第二种的第一个表面是非球面表面（其余為(wèi)球面表面），这两种设计都拥有(yǒu)完全相同的玻璃类型、有(yǒu)效焦距、视场、f/#，以及整體(tǐ)系统長(cháng)度。下表对调制传递函数(MTF) @ 20%对比度的轴上和轴外平行、多(duō)色的486.1nm、587.6nm、和656.3nm光線(xiàn)进行了定量比较。使用(yòng)了非球面表面的三合透镜，在所有(yǒu)视场角上都展现了更高的成像性能(néng)，其高切向分(fēn)辨率和高矢状分(fēn)辨率，与只有(yǒu)球面表面的三合透镜相比高出了三倍。

 多(duō)色光，通过三合透镜

系统优势

非球面透镜允许光學(xué)元件设计者使用(yòng)比传统球面元件更少的光學(xué)元件数量来校正像差，因為(wèi)前者為(wèi)他(tā)们所提供的像差校正要多(duō)于后者使用(yòng)多(duō)个表面所能(néng)提供的像差校正。例如，一般使用(yòng)十个或更多(duō)透镜元件的变焦镜头，可(kě)以使用(yòng)一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，并可(kě)以实现相同或更高的光學(xué)效果、降低生产成本，同时也降低系统的大小(xiǎo)。

运用(yòng)更多(duō)光學(xué)元件的光學(xué)系统可(kě)能(néng)会对光學(xué)和机械参数产生负面影响，因而带来更昂贵的机械公差、额外的校准步骤，以及更多(duō)的增透膜要求。以上所有(yǒu)的这些结果终都会降低系统的整體(tǐ)实用(yòng)性，因為(wèi)用(yòng)户将必须不停地為(wèi)其增加支持组件。因此，在系统中加入非球面透镜（虽然非球面透镜价格相比f/#等同的单片透镜和双合透镜贵），实际上将会降低您的整體(tǐ)系统设计成本。

剖析非球面透镜

“非球面透镜”此术语涵括任何不属于球面的物(wù)件，然而我们在此处使用(yòng)该术语时是在具體(tǐ)谈论非球面透镜的子集，即具有(yǒu)曲率半径且其半径会按透镜中心呈现径向改变的旋转对称光學(xué)元件。非球面途径能(néng)够改善图像质量，减少所需的元件数量，同时降低光學(xué)设计的成本。从数字相机和CD播放器，到高端显微镜物(wù)镜和荧光显微镜，非球面透镜无论是在光學(xué)、成像或是光子學(xué)行业的哪一方面，其应用(yòng)发展都非常迅速，这是因為(wèi)相比传统的球面光學(xué)元件而言，非球面透镜拥有(yǒu)了许许多(duō)多(duō)独特又(yòu)显著的优点。

非球面透镜的传统定义如方程式1所示（由表面轮廓(sag)定义）:

 球面与非球面的表面轮廓比较

在过去几年，另两种使用(yòng)正交项且逐渐普及的定义為(wèi)Q-type非球面透镜。这类Q型非球面透镜，Qcon以及Qbfs让设计师能(néng)够透过使用(yòng)正交系数更好地控制非球面透镜的优化过程，同时可(kě)降低制作非球面透镜所需的条件。

精密玻璃成型

精密玻璃成型是一种制造技术，将光學(xué)玻璃核心加热至高温从而使其表面具有(yǒu)足够的可(kě)塑性，通过非球面模造来成型，然后，逐步冷却至室温，光學(xué)玻璃核心将依然保持模造的形状。创造模造有(yǒu)很(hěn)高的初始启动成本，因為(wèi)它必须使用(yòng)高度耐用(yòng)又(yòu)能(néng)保持表面光滑的材料精确制造，要能(néng)够顾及玻璃核心将可(kě)发生的任何收缩，以生产出所需的非球面模造形状。不过，当模造完成之后，其制造每个透镜所需的边际成本都会低于标准制造技术的边际成本，因此，它特别适用(yòng)于需要进行高批量生产的场合。

 精密玻璃成型平台

精密抛光

数年来，非球面透镜在进行机器加工时需要逐一进行磨砂与抛光。虽然逐一制造加工非球面透镜的过程并没有(yǒu)巨大的改变，但是重大的制造技术进展却提升了此制造技术所能(néng)实现的高精确度。显著的是，经计算机控制的精密抛光能(néng)够自动调整工具驻留参数以便為(wèi)需要较多(duō)抛光的高点进行抛光。如果需要较高的抛光质量，则可(kě)使用(yòng)磁流变抛光技术(magneto-rheological finishing, MRF)完善表面。相较于标准抛光技术，MRF技术可(kě)精确控制去除位置同时拥有(yǒu)高去除率，因而能(néng)够在较短的时间内实现高性能(néng)抛光。其他(tā)制造技术一般需要一款特别的模具，而每款透镜均具有(yǒu)其独特的模具，但是抛光却是使用(yòng)标准工具，因此使抛光成為(wèi)原型制造以及低量生产应用(yòng)的首要选择。

计算机控制抛光

磁流变抛光(MRF)

混合成型

混合成型，以如消色差透镜的一个标准球面表面為(wèi)基底，通过包含了一薄层光敏聚合物(wù)的非球面模造，将该球面表面压铸成型，终生产出一个非球面表面。这项技术采用(yòng)一个钻石磨砂非球面模造和一个玻璃消色差透镜（虽然也可(kě)以使用(yòng)其他(tā)类型的单片透镜和双合透镜），在非球面模造内注入光敏聚合物(wù)，再让非球面模造将球面表面压铸成型。此技术通过在室温压缩和UV固化这两个表面，产生一个非球面消色差透镜。该透镜的光學(xué)属性结合了其所组成部件分(fēn)别所展示的光學(xué)属性：消色和球面像差校正。為(wèi)混合透镜的制作过程。混合成型非常适用(yòng)于高批量高精密的应用(yòng)，这些场合除了需要极高性能(néng)之外，也可(kě)以通过批量生产所获得的成本节约抵消其高初始工具成本。

混合成型技术

塑料模造

除了上述的玻璃制造技术之外，市面上还有(yǒu)一个独特的塑料制造技术。塑料模造，涉及在一个非球面模造中注入熔融塑料。相对于玻璃，塑料的热稳定性和抗压性较差，因此需要经过特别处理(lǐ)以得到等同的非球面透镜。然而，塑料的优点是重量轻、易成型，并可(kě)以与一个固定件集成，得出一个单一的模块。虽然光學(xué)质量的塑料的选择有(yǒu)限，但塑料非球面透镜的成本低、重量轻，因此有(yǒu)些应用(yòng)会使用(yòng)这种设计。

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