定义非球面光学的特征和应用

广义地说，非球面表面是除球体和平面之外的其它表面。从应用的角度来看，非球面表面可以分为轴对称非球面表面、具有两个对称表面的非球面表面和不具有对称性的自由形式表面。

非球面的分类

非球面表面通常分为次级非球面表面和高级非球面表面。次级非球面在光学系统中使用最广泛，并且相对于其他类型的非球面具有特殊的位置。次要非球面可以分为: 一对没有图像点的非球面和没有图像点的非球面。前者广泛应用于各种光学仪器中，是最常见的非球面。后者广泛用于形成光学系统的畸变图像。高等非球面可分为单调子午线曲面和非单调曲面。非球面的分类如图1所示。

图1.光学非球面的分类

自由曲面

自由表面的一般表达式为Z = ∑ aijxiyj i，j = 0，1，2。..... n.对于这种类型的自由表面，尽管它已经失去了非球面表面的轴对称特征，但它仍然围绕坐标原点有规律地扩展。现在的一对仍然是常规的。

另一类复杂的自由曲面，只能用三维点坐标来定义，广泛应用于渐进多焦点眼镜中，以实现根据特定规律分配光学焦点的目的。

非球面的优点和应用

非球面透镜，其中曲率半径随中心轴变化，用于提高光学质量，减少光学元件，并降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此被广泛应用于光学仪器，成像和光电子行业，例如数码相机，CD播放器和高端显微仪器。它主要用于以下目的:

a.球面像差校准

非球面透镜用于代替球面透镜，最显着的优点是可以校正准直和聚焦系统中球面透镜带来的球面像差。通过调整表面常数和非球面系数，非球面透镜可以最小化球面像差。非球面透镜 (光线会聚到同一点，提供光学质量)，基本上消除了球面透镜产生的球面像差 (光线会聚到不同点，导致成像模糊)。三个球面透镜用于增加有效焦距，并用于消除球面像差。然而，可以实现一个非球面透镜 (高数值孔径，短焦距) 并且简化系统设计并提供光传输。

图2.消除球面像差的非球面透镜

b.系统优势

非球面透镜简化了光学工程师所涉及的元件，以提高光学质量，同时提高系统的稳定性。例如，在变焦系统中，通常使用10个或更多的镜头 (加上: 高机械公差，额外的组装程序，改进的抗反射涂层)，用1或2个非球面透镜可以实现相似或更好的光学质量，从而减小了系统尺寸，提高了成本比，并降低系统的整体成本。