非球面透镜与球面透镜的区别

一、球面透镜

球面透镜，球面的形状对应于球体的截面（图1），而球体是旋转对称的光学元件，其曲率半径与几何中心的距离不变。这意味着光学有效面积可以通过仅指定一个参数，即半径R来描述。由于该参数在整个表面上是恒定的，因此球体在加工制造方面具有较为经济的成本优势。

图1 通过半径描述球体的光学有效面积

在生产成本方面，球面透镜有明显的优势。这是由于球面的统一形状确保了简单的制造过程和更短的生产时间。球面透镜适用于快速生成光学检测和均匀测量的方面。如触觉测量方法（例如轮廓仪或3D坐标测量机），以及光学测量方法（例如干涉仪和计算机生成的全息图 (CGH)）都选择使用球面透镜进行测量。

球面透镜的应用范围很广，例如计量学、航空航天（安装在卫星内部的光谱仪）或医疗技术（用于检查眼前节的裂隙灯）。根据球面透镜的形状、散射或聚焦特性用于将入射光折射到所需的程度。在成像系统中，高图像质量伴随着低成像误差，通过选择有效孔径，还可以减少其球面像差，其原因是阻挡了其它的外围光强更强的入射光线。

此外，使用多个球面透镜也可以提高图像质量，但要考虑光学系统的空间条件问题。通过组合一个或多个聚光和色散透镜可实现消色差，通常使用低折射率的正凸透镜和低折射率的负凹透镜并粘合在一起，从而改善球面像差和色差的光学系统，如消色差镜用于摄影镜头内。

二、非球面透镜

如果在光学设置中考虑其它因素，如高图像质量、数值孔径或空间节省，非球面透镜是最佳选择。非球面透镜是旋转对称的光学元件，其曲率半径从透镜中心呈放射状偏离（图2）。由于这种特殊的表面几何形状，非球面透镜与球面透镜的区别上，非球面透镜可以显著提高光学系统的成像质量。它们不同的曲率半径导致了与球面透镜的偏差。

图2 球面与非球面光学有效面积的描述

通常，只要其透镜半径偏离球面形状，就是非球面透镜。如图3所示，入射光束在公共焦点处相交，从而防止球面像差。因此，非球面透镜是一种更好的聚焦光学器件。相比之下，球面透镜的入射光束随着距光轴距离的增加而偏转得更强烈，并且不会在一个公共点相交，也就引起像差导致模糊不清的图像（图3），所以使用非球面透镜可提高图像质量。就光学设计而言，非球面透镜与球面透镜的区别上，非球面透镜具有更高的自由度，这意味着可以创建更复杂的透镜表面，以达到更好的光学元件表面质量。

图3 通过非球面透镜校正球面像差

与传统透镜相比，非球面透镜的另一个优点是减少了光学系统的总长度和重量。在Asphericon非球面透镜应用的光学系统减小的现象也可以在其他光学装置中找到，例如在摄影镜头中。在只有一个透镜的情况下，通过对两个透镜的一个表面进行光学放大，可以实现焦距系统，光束扩展，光束直径增大，而不产生发散误差。由于该系统的焦距特性，故可以将多个透镜可连接成一排，从而缩小光学系统，同时改变总光束直径。与传统光学系统相比，Asphereon开发的扩束系统a|BeamExpander，通过组合多个Asphericon非球面透镜可将总长度缩短多达50%。图4显示了具有10倍放大率 (M=10) 的开普勒和伽利略望远镜与放大倍数相同但长度减半的 a|BeamExpander 相比。

图4 Asphereon开发的a|BeamExpander与开普勒和伽利略望远镜的对比

二、球面透镜与非球面透镜比较

就成像质量而言，非球面显然占主导地位，但非球面透镜与球面透镜的区别上，仍然反映在更高的生产/测量要求以及更高的工艺成本上。下表显示了两种透镜基本的比较：

两种镜头类型的组合还可以实现非常好的成像。在非球面透镜与球面透镜的区别上，由于球面透镜通常是更低的成本，因此通常在保证获得较好的成像效果下将非球面透镜在光学系统中的数量减少。决定使用哪种镜头类型的重要性取决于各自的应用和对成像质量的光学要求，如改善球面相差或消色差等方面。从Asphericon非球面透镜制造的角度来看，由于生产工艺不断发展，重点将越来越多地转向透镜表面质量而非成本的影响。因为随着透镜表面质量的提高，可以越来越有效地解决许多光学任务。基于高质量光学的新技术的要求将不断增加从而需要更复杂、更强大的光学器件，Asphericon将越来越多地转向光学元件表面质量，这将对客户的特定要求产生积极的影响，因为随着光学元件表面质量的提高，可以越来越有效地解决许多光学任务。球面和非球面光学系统将继续在经济高效地实现基于光子解决方案的新应用方面发挥决定性作用。