圖3  （上）球面透鏡球差示意圖   （下）非球面透鏡消球差
 

相比于常規(guī)的通過增加鏡片數(shù)量來校正球差的方法，非球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)用更少的透鏡數(shù)來實現(xiàn)更好的像差校正，例如，一般使用十個或更多透鏡的變焦鏡頭，可以使用一兩個非球面透鏡來替換五六個球面透鏡，實現(xiàn)相同或更高的光學效果，從而降低系統(tǒng)的長短和復雜性。

另外，使用更多的光學元件的光學系統(tǒng)，往往對機械公差有嚴格要求，且會增加額外的校準步驟，以及更多的增透膜要求，從而降低系統(tǒng)的整體實用性。因此，光學系統(tǒng)中非球面透鏡的使用（雖然非球面透鏡價格相比F數(shù)等同的單片透鏡和雙膠合透鏡貴），將會降低整體系統(tǒng)的成本。

總的來說，光學系統(tǒng)中合理采用非球面透鏡，在實現(xiàn)光學系統(tǒng)小型化、輕型化、多功能化等方面具有不可替代的地位。


非球面透鏡在激光準直方面的應用

非球面透鏡在光學系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。例如，我們接觸到的最多的手機鏡頭、相機鏡頭、超短焦投影儀等，這類復雜系統(tǒng)中多是通過使用多片非球面和球面鏡組合來對系統(tǒng)像差進行優(yōu)化設計，沒有形成標準化產(chǎn)品。

圖4 非球面透鏡在手機鏡頭和數(shù)碼相機中的應用

非球面鏡的另一類重要應用是在激光準直、聚焦、激光器與光纖耦合方面。從激光器中直接出來的光束通常為高斯光束，而實際應用中，如光學測量、激光醫(yī)療、激光加工等領(lǐng)域，需要對激光光束進行準直、聚焦、均勻化等整形。常規(guī)的通過球面透鏡準直的方法，通常需要至少2片透鏡。

由于激光是單波長的光源，球差往往是阻礙單個球面透鏡聚焦或準直光時獲得衍射極限性能的因素，而單片的非球面透鏡對于球差的優(yōu)化地解決這個問題，因此，常用于對光纖或激光二極管的輸出光進行準直、將激光耦合到光纖中等。
 

圖5  （上）非球面透鏡激光準直示意 （下）將激光耦合到光纖中的應用

非球面透鏡在用于激光準直時，平坦的表面即曲率半徑較大的一面（有時為平面）應該朝向激光光源，如圖6所示，假設光源發(fā)散角為θ，準直后所需光束直徑為Φ，則可以計算出適于本系統(tǒng)的非球面透鏡的焦距為：