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【视觉知识】工业镜头设计之球面镜和非球面镜
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来源：光虎光电科技（天津）有限公司
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发布时间：2023-05-08 09:39:54
所谓球面和非球面，主要是针对镜片的几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。二者在几何形状上的差别决定了它们在平行的入射光的折射方向上产生差异，从而影响工业镜头成像效果的好坏。
1.球面镜片
球面镜片其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射在镜片上不同的位置时，在像方焦平面上不能聚焦成一点，而形成像差的问题（如图1）
影响工业镜头成像的性能，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头是采用球面镜片组成的，为解决这一成像问题，可以通过增加镜片对像差进行矫正，但此举也可能会引起反效果，进一步削弱成像性能；额外的镜片，不仅会增加光线在镜筒内反射的机会，引起耀光现象，亦会增加镜头的体积和重量。球面透镜在近轴区域成像质量是比较好的，但是对于离轴区域，其成像质量就迅速变差，这就叫做像差。而在五种初级像差中，四种都与球差有关，因此在工业镜头设计中，球差是要努力平衡的。
2.非球面镜
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面镜片，让镜片之间的像差能够互相抵消。但既然球差是由于球面无法完美成像带来的，那么使用一种能够完美成像的表面就可以了。因此这就有了非球面透镜。
然而就像前面所提像差只能平衡，没有一个系统能够对全空间完美成像无像差，所以只能根据使用的场合，采用不同的透镜和不同形状的非球面进行结合，尽可能地减小各种像差。使用非球面镜片能够减少像差，并减少使用的镜片数量，也给设计上带来了更大的自由度。
球面镜与非球面镜在于设计中的区别前文已经提及，而主要影响设计者选择的还是成本问题，球面透镜由于容易批量稳定地制造，因此成本比较低；而非球面透镜制造困难，工艺要求高，成本也高。但是成本问题不能一概而论，非球面透镜允许光学元件设计者使用比传统球面元件更少的光学元件数量来校正像差，因为前者为他们所提供的像差校正要多于后者使用多个表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十个或更多透镜元件的变焦工业镜头，可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，并可以实现相同或更高的光学效果、降低生产成本，同时也降低系统的大小。
运用更多光学元件的光学系统可能会对光学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，以及更多的增透膜要求。以上所有的这些结果最终都会降低系统的整体实用性。因此，是否在系统设计中引入非球面透镜，还是要看实际的设计需求及对两种方案的考量平衡。
【来源：光虎光学内部培训资料】
球面与非球面的成像比较
1.球面镜片
球面镜片其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射在镜片上不同的位置时，在像方焦平面上不能聚焦成一点，而形成像差的问题（如图1）
影响工业镜头成像的性能，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头是采用球面镜片组成的，为解决这一成像问题，可以通过增加镜片对像差进行矫正，但此举也可能会引起反效果，进一步削弱成像性能；额外的镜片，不仅会增加光线在镜筒内反射的机会，引起耀光现象，亦会增加镜头的体积和重量。球面透镜在近轴区域成像质量是比较好的，但是对于离轴区域，其成像质量就迅速变差，这就叫做像差。而在五种初级像差中，四种都与球差有关，因此在工业镜头设计中，球差是要努力平衡的。
2.非球面镜
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面镜片，让镜片之间的像差能够互相抵消。但既然球差是由于球面无法完美成像带来的，那么使用一种能够完美成像的表面就可以了。因此这就有了非球面透镜。
然而就像前面所提像差只能平衡，没有一个系统能够对全空间完美成像无像差，所以只能根据使用的场合，采用不同的透镜和不同形状的非球面进行结合，尽可能地减小各种像差。使用非球面镜片能够减少像差，并减少使用的镜片数量，也给设计上带来了更大的自由度。
球面与非球面的选择
球面镜与非球面镜在于设计中的区别前文已经提及，而主要影响设计者选择的还是成本问题，球面透镜由于容易批量稳定地制造，因此成本比较低；而非球面透镜制造困难，工艺要求高，成本也高。但是成本问题不能一概而论，非球面透镜允许光学元件设计者使用比传统球面元件更少的光学元件数量来校正像差，因为前者为他们所提供的像差校正要多于后者使用多个表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十个或更多透镜元件的变焦工业镜头，可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，并可以实现相同或更高的光学效果、降低生产成本，同时也降低系统的大小。
运用更多光学元件的光学系统可能会对光学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，以及更多的增透膜要求。以上所有的这些结果最终都会降低系统的整体实用性。因此，是否在系统设计中引入非球面透镜，还是要看实际的设计需求及对两种方案的考量平衡。
【来源：光虎光学内部培训资料】
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