光學鏡頭缺陷之球面像差，該如何避免這個問題？
來源：m.baljq.cn 發布時間：2025年08月15日
1. 球面像差的本質
球面像差（Spherical Aberration）是由于鏡頭表面為球面時，不同入射高度（離光軸距離不同）的光線聚焦點位置不一致所造成的成像模糊。
近光軸光線（Paraxial rays） → 聚焦位置較遠（靠近理論焦點）
遠光軸光線（Marginal rays） → 聚焦位置較近（在理論焦點前）
2. 形成原因的物理解釋
折射角差異
對于球面，曲率半徑隨位置變化，離中心越遠，表面法線變化越快 → 折射角更大。
高階像差項的積累
對于大光圈鏡頭，這種差異的影響成倍增加。
單透鏡與多組鏡片差異
單透鏡幾乎無法校正球面像差，而多組鏡片可以通過不同曲率、不同玻璃折射率的組合實現抵消。
3. 避免球面像差的設計方法
在鏡頭制造端，主要有以下幾類手段：
3.1 光學設計階段
使用非球面鏡片（Aspherical Lens）
曲率隨半徑變化的非球面，可以讓所有光線趨向同一點聚焦，從根源上消除球差。
優點：一片非球面鏡片可抵消多片球面鏡片的像差。
缺點：加工難度高，公差要求極嚴。
多鏡片組合優化
使用不同折射率、不同曲率的鏡片組合（常見于消色差設計），在光路追跡（Ray Tracing）優化中讓邊緣光與中心光一致聚焦。
折射率分布鏡片（GRIN lens）
通過材料內部折射率漸變分布，讓光路在透鏡內部得到預補償。
3.2 制造與工藝階段
高精度研磨與拋光
球面精度必須在納米級面形誤差范圍內，否則球差會被放大。
模壓成型非球面鏡片（Precision Glass Molding）
適用于大批量生產，但模具溫度控制、應力釋放非常關鍵。
注塑非球面塑料鏡片
低成本，但受材料熱膨脹與老化限制，多用于消費級設備。
3.3 使用端輔助
縮小光圈（f/8 或更小）
雖然不是根治方法，但減少有效光通徑可以削弱邊緣光線的影響。
軟件算法補償
部分相機在 JPEG/RAW 處理時會基于鏡頭模型做銳化補償。
4. 4K/高分辨率鏡頭的特殊考慮
如何制做4K及以上分辨率的鏡頭，這里球面像差的容忍度極低：
像元尺寸小 → 任意微小像差都會導致 MTF 降低
全畫幅或大靶面傳感器 → 邊緣成像質量要求更高
高速光圈需求 → 大光圈下球差更難壓制
因此，高端設計往往會：
多組非球面+低色散玻璃結合
MTF優化目標設置在全視場與全光圈范圍
公差分析（Tolerance Analysis） 嚴格控制面形誤差與裝調偏差
球面像差（Spherical Aberration）是由于鏡頭表面為球面時，不同入射高度（離光軸距離不同）的光線聚焦點位置不一致所造成的成像模糊。
近光軸光線（Paraxial rays） → 聚焦位置較遠（靠近理論焦點）
遠光軸光線（Marginal rays） → 聚焦位置較近（在理論焦點前）
這種焦點位置的差異，就導致中心清晰、邊緣模糊的現象。
2. 形成原因的物理解釋
折射角差異
對于球面，曲率半徑隨位置變化，離中心越遠，表面法線變化越快 → 折射角更大。
高階像差項的積累
對于大光圈鏡頭，這種差異的影響成倍增加。
單透鏡與多組鏡片差異
單透鏡幾乎無法校正球面像差，而多組鏡片可以通過不同曲率、不同玻璃折射率的組合實現抵消。
3. 避免球面像差的設計方法
在鏡頭制造端，主要有以下幾類手段：
3.1 光學設計階段
使用非球面鏡片（Aspherical Lens）
曲率隨半徑變化的非球面，可以讓所有光線趨向同一點聚焦，從根源上消除球差。
優點：一片非球面鏡片可抵消多片球面鏡片的像差。
缺點：加工難度高，公差要求極嚴。
多鏡片組合優化
使用不同折射率、不同曲率的鏡片組合（常見于消色差設計），在光路追跡（Ray Tracing）優化中讓邊緣光與中心光一致聚焦。
折射率分布鏡片（GRIN lens）
通過材料內部折射率漸變分布，讓光路在透鏡內部得到預補償。
3.2 制造與工藝階段
高精度研磨與拋光
球面精度必須在納米級面形誤差范圍內，否則球差會被放大。
模壓成型非球面鏡片（Precision Glass Molding）
適用于大批量生產，但模具溫度控制、應力釋放非常關鍵。
注塑非球面塑料鏡片
低成本，但受材料熱膨脹與老化限制，多用于消費級設備。
3.3 使用端輔助
縮小光圈（f/8 或更小）
雖然不是根治方法，但減少有效光通徑可以削弱邊緣光線的影響。
軟件算法補償
部分相機在 JPEG/RAW 處理時會基于鏡頭模型做銳化補償。
4. 4K/高分辨率鏡頭的特殊考慮
如何制做4K及以上分辨率的鏡頭，這里球面像差的容忍度極低：
像元尺寸小 → 任意微小像差都會導致 MTF 降低
全畫幅或大靶面傳感器 → 邊緣成像質量要求更高
高速光圈需求 → 大光圈下球差更難壓制
因此，高端設計往往會：
多組非球面+低色散玻璃結合
MTF優化目標設置在全視場與全光圈范圍
公差分析（Tolerance Analysis） 嚴格控制面形誤差與裝調偏差
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可視化能手：多光譜鏡頭在遙感成像中的應用場景
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鏡片材料-塑料鏡片
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