大多數(shù)
光學(xué)透鏡都具有球面，因為它們可以最容易地以高光學(xué)質(zhì)量制造。然而，這種表面形狀對于
成像來說并不理想。鏡片的外部部分彎曲得太厲害。當(dāng)考慮球透鏡時，這一點最為明顯。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光軸。
V/ DdV}n! 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位置，但外部光線的折射更強烈。因此，此類鏡頭在成像時會產(chǎn)生較強的球差。
pc_$,RkN 圖2:用球透鏡聚焦發(fā)散光。
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當(dāng)使用具有球面的透鏡進行成像應(yīng)用時，所解釋的效應(yīng)會導(dǎo)致所謂的球面像差，從而嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量。同樣，使用球面透鏡聚焦或準(zhǔn)直，
激光束會導(dǎo)致光束畸變。
z:tu_5w!, 在許多情況下，像差效應(yīng)遠沒有上面所示的球透鏡那么嚴(yán)重，因為所涉及的曲率并不那么強。
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np 平板的球面像差
dLu3C-.( kasx4m]^ 球面像差的問題可以推廣到與相位變化的非理想徑向相關(guān)性相關(guān)的所有像差。當(dāng)發(fā)散或會聚的光穿過平面平行板時，即使對于平面表面也可能發(fā)生這種情況。這主要是因為折射包含正弦函數(shù)而不是正切函數(shù)，這是避免球面像差所必需的。
"IsDL^)A9 圖3顯示了一個示例案例。
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圖3:當(dāng)會聚光線穿過平板時，它們不再在一個共同的焦點相遇。
^sVB:? 852Bh'u_ 球面像差的量化
gcs 8Gl2 N|WR^MQD 光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)元件（例如透鏡）的球面像差強度通常通過繪制圖像焦點縱向位置的偏差作為入射光線橫向偏移的函數(shù)來量化。通常，人們會交換坐標(biāo)軸，以便得到的圖更接近于水平光軸。上述位置誤差可能與橫向光束坐標(biāo)的平方成比例，但在球面像差得到部分補償?shù)那闆r下（見下文），該補償可能適用于特定的水平偏移，但不適用于其他偏移。
,W<mz7Z(@ @GR| co 減少球面的像差
YR/rN, 球面像差可以用不同的方法減少:
U7cGr\eU u ·最簡單的方法是用光學(xué)孔徑限制入射光的面積。這樣，就可以防止球差最嚴(yán)重的外部區(qū)域?qū)D像產(chǎn)生影響。然而，這意味著光通量降低。
c_bIadE { · 人們可以使用非球面透鏡，它改變了表面形狀，從而避免了球面像差。
>/F,Z%! &q · 人們可以使用球面透鏡的組合，其設(shè)計可以很好地補償球面像差。例如，這種方法經(jīng)常用于攝影目標(biāo)。
bQ2 '*T 在某種程度上，我們還可以根據(jù)所需的配置選擇合適類型的鏡頭來減少球面像差（見圖 3）：
V,Br|r$l( · 對于將小光斑成像為相同尺寸的光斑，對稱雙凸透鏡非常適合。然而，最好組合使用兩個平凸透鏡，且平面位于外側(cè)。
>sE{c>R% · 對于非對稱應(yīng)用，例如聚焦準(zhǔn)直光束或準(zhǔn)直強發(fā)散光束，平凸透鏡可能更合適。最好的解決方案實際上是兩側(cè)曲率半徑均經(jīng)過
優(yōu)化的非對稱透鏡，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)直的鏡頭類型。對稱重聚焦的中間情況在像差方面比第一種情況更好，但由于兩個額外的光學(xué)表面可能具有更高的損耗。
fNaS?tV) fDY#&EO: % 一般來說，應(yīng)該使用這樣的透鏡，使得兩個表面對聚焦作用的貢獻相似。
> j vi7 非球面光學(xué)器件改進的光學(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。但請注意，其他類型的光學(xué)相差仍然可能發(fā)生。
