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(guò)增加鏡片數(shù)量來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)更好的像差校正，例如，一般使用十個(gè)或更多透鏡的變焦鏡頭，可以使用一兩個(gè)非球面透鏡來(lái)替換五六個(gè)球面透鏡，實(shí)現(xiàn)相同或更高的光學(xué)效果，從而降低系統(tǒng)的長(zhǎng)短和復(fù)雜性。

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

總的來(lái)說(shuō)，光學(xué)系統(tǒng)中合理采用非球面透鏡，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(zhǔn)直方面的應(yīng)用

非球面透鏡在光學(xué)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(jī)鏡頭、相機(jī)鏡頭、超短焦投影儀等，這類復(fù)雜系統(tǒng)中多是通過(guò)使用多片非球面和球面鏡組合來(lái)對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

圖4 非球面透鏡在手機(jī)鏡頭和數(shù)碼相機(jī)中的應(yīng)用

非球面鏡的另一類重要應(yīng)用是在激光準(zhǔn)直、聚焦、激光器與光纖耦合方面。從激光器中直接出來(lái)的光束通常為高斯光束，而實(shí)際應(yīng)用中，如光學(xué)測(cè)量、激光醫(yī)療、激光加工等領(lǐng)域，需要對(duì)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦、均勻化等整形。常規(guī)的通過(guò)球面透鏡準(zhǔn)直的方法，通常需要至少2片透鏡。

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

圖5  （上）非球面透鏡激光準(zhǔn)直示意 （下）將激光耦合到光纖中的應(yīng)用

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