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【視覺知識】工業鏡頭設計之球面鏡和非球面鏡
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來源：光虎光電科技（天津）有限公司
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訪問量：2817
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發布時間：2023-05-08 09:39:54
所謂球面和非球面，主要是針對鏡片的幾何形狀而言，即球面鏡片與非球面鏡片。二者在幾何形狀上的差別決定了它們在平行的入射光的折射方向上產生差異，從而影響工業鏡頭成像效果的好壞。
1.球面鏡片
球面鏡片其鏡片呈球面的弧度，其橫切面亦呈弧狀。當不同波長的光線，以平行光軸入射在鏡片上不同的位置時，在像方焦平面上不能聚焦成一點，而形成像差的問題（如圖1）
影響工業鏡頭成像的性能，例如出現清晰度下降和變形等現象。一般普通鏡頭是采用球面鏡片組成的，為解決這一成像問題，可以通過增加鏡片對像差進行矯正，但此舉也可能會引起反效果，進一步削弱成像性能；額外的鏡片，不僅會增加光線在鏡筒內反射的機會，引起耀光現象，亦會增加鏡頭的體積和重量。球面透鏡在近軸區域成像質量是比較好的，但是對于離軸區域，其成像質量就迅速變差，這就叫做像差。而在五種初級像差中，四種都與球差有關，因此在工業鏡頭設計中，球差是要努力平衡的。
2.非球面鏡
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面鏡片，讓鏡片之間的像差能夠互相抵消。但既然球差是由于球面無法完美成像帶來的，那么使用一種能夠完美成像的表面就可以了。因此這就有了非球面透鏡。
然而就像前面所提像差只能平衡，沒有一個系統能夠對全空間完美成像無像差，所以只能根據使用的場合，采用不同的透鏡和不同形狀的非球面進行結合，盡可能地減小各種像差。使用非球面鏡片能夠減少像差，并減少使用的鏡片數量，也給設計上帶來了更大的自由度。
球面鏡與非球面鏡在于設計中的區別前文已經提及，而主要影響設計者選擇的還是成本問題，球面透鏡由于容易批量穩定地制造，因此成本比較低；而非球面透鏡制造困難，工藝要求高，成本也高。但是成本問題不能一概而論，非球面透鏡允許光學元件設計者使用比傳統球面元件更少的光學元件數量來校正像差，因為前者為他們所提供的像差校正要多于后者使用多個表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十個或更多透鏡元件的變焦工業鏡頭，可以使用一兩個非球面透鏡來替換五六個球面透鏡，并可以實現相同或更高的光學效果、降低生產成本，同時也降低系統的大小。
運用更多光學元件的光學系統可能會對光學和機械參數產生負面影響，因而帶來更昂貴的機械公差、額外的校準步驟，以及更多的增透膜要求。以上所有的這些結果最終都會降低系統的整體實用性。因此，是否在系統設計中引入非球面透鏡，還是要看實際的設計需求及對兩種方案的考量平衡。
【來源：光虎光學內部培訓資料】
球面與非球面的成像比較
1.球面鏡片
球面鏡片其鏡片呈球面的弧度，其橫切面亦呈弧狀。當不同波長的光線，以平行光軸入射在鏡片上不同的位置時，在像方焦平面上不能聚焦成一點，而形成像差的問題（如圖1）
影響工業鏡頭成像的性能，例如出現清晰度下降和變形等現象。一般普通鏡頭是采用球面鏡片組成的，為解決這一成像問題，可以通過增加鏡片對像差進行矯正，但此舉也可能會引起反效果，進一步削弱成像性能；額外的鏡片，不僅會增加光線在鏡筒內反射的機會，引起耀光現象，亦會增加鏡頭的體積和重量。球面透鏡在近軸區域成像質量是比較好的，但是對于離軸區域，其成像質量就迅速變差，這就叫做像差。而在五種初級像差中，四種都與球差有關，因此在工業鏡頭設計中，球差是要努力平衡的。
2.非球面鏡
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面鏡片，讓鏡片之間的像差能夠互相抵消。但既然球差是由于球面無法完美成像帶來的，那么使用一種能夠完美成像的表面就可以了。因此這就有了非球面透鏡。
然而就像前面所提像差只能平衡，沒有一個系統能夠對全空間完美成像無像差，所以只能根據使用的場合，采用不同的透鏡和不同形狀的非球面進行結合，盡可能地減小各種像差。使用非球面鏡片能夠減少像差，并減少使用的鏡片數量，也給設計上帶來了更大的自由度。
球面與非球面的選擇
球面鏡與非球面鏡在于設計中的區別前文已經提及，而主要影響設計者選擇的還是成本問題，球面透鏡由于容易批量穩定地制造，因此成本比較低；而非球面透鏡制造困難，工藝要求高，成本也高。但是成本問題不能一概而論，非球面透鏡允許光學元件設計者使用比傳統球面元件更少的光學元件數量來校正像差，因為前者為他們所提供的像差校正要多于后者使用多個表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十個或更多透鏡元件的變焦工業鏡頭，可以使用一兩個非球面透鏡來替換五六個球面透鏡，并可以實現相同或更高的光學效果、降低生產成本，同時也降低系統的大小。
運用更多光學元件的光學系統可能會對光學和機械參數產生負面影響，因而帶來更昂貴的機械公差、額外的校準步驟，以及更多的增透膜要求。以上所有的這些結果最終都會降低系統的整體實用性。因此，是否在系統設計中引入非球面透鏡，還是要看實際的設計需求及對兩種方案的考量平衡。
【來源：光虎光學內部培訓資料】
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