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透鏡與非球面透鏡的差別及應用

光學領域當中球面鏡片與非球面鏡片其實并不是科學的概念,也沒有標準的定義,而在一些比較專業的光學教材中,經常提到的透鏡,通常是指兩個表面為球面一部分的薄透鏡,或者一個表面是球面,另一個表面是平面的薄透鏡

本文中提到的“非球面鏡片”就是指透鏡的內表面和外表面都不是球面的一部分,通常這種透鏡的表面都是十分復雜的曲面,有較高的設計和加工難度。

讀書時我們都學過透鏡(指球面透鏡)的成像規律。當平行光穿過凸透鏡時,光線會恰好會聚到凹透鏡后的焦點上。當平行光穿過凹透鏡,使光線會發散,且發散后各光線的反向延長線會恰好匯聚到凹透鏡前的焦點上。

 

像差是指受非近軸光的影響,透鏡組成的光學系統無法完美成像的現象,具體包括球差、彗差、色差、像場不平等。其中,球差與彗差是影響眼鏡性能的主要因素。

當近軸光平行光入射后,會完美地交于一點,這個點稱為該透鏡的焦點。然而,當距離光軸比較遠的非近軸光入射時,它們分別相交在了焦點的前后,無法會聚在同一個點上。

這就意味著當我們用球面透鏡成像或矯正視力時,無法最終獲得一個清晰的圖像,無論怎么調整,圖像都會存在或多或少的模糊,這便是球差。彗差與球差類似,同樣是平行光入射球面透鏡后無法完美會聚在一點的現象,不過這里的平行光指的是不與光軸平行的平行光,也就是斜著入射的平行光。

對于球面透鏡而言,從不同位置射入透鏡的平行光最終會聚到了不同的位置,離光軸較近的光線基本上可以會聚在一塊較小的區域,幾乎可以看作一個點,離光軸較遠的光線則會聚在別處。

最后,穿過透鏡的光線會在光屏上形成一個帶有尖狀突起的光斑,類似彗星的形狀,“彗差”也因此而得名。

相機內的光學系統也是由一系列透鏡組成,如果相機中選用的是球面鏡,光路設計也存在缺陷的話,相機在拍攝時就會產生彗差現象。

好消息是,人們并不是拿這些像差沒有辦法,通過巧妙設計透鏡前后兩個表面的形狀,就可以很好地調控光路,使大部分非近軸光線也能滿足透鏡的成像規律。

另外,采用光學性能更好的材料也有助于減小像差。

非球面鏡可以減小球差

當下,隨著技術的成熟與市場的開拓,非球面鏡片的成本已經降到很低,并且大有取代球面鏡片之勢,日常生活中幾乎見不到有人佩戴球面眼鏡了。

不過,像差包含了許多不同的種類,而且減小不同像差的難度也不同,非球面鏡也僅僅是在球差、彗差、畸變等低階像差上有顯著的削弱效果。然而,對于眼鏡來說,這種修正已經綽綽有余了。

對于相機、顯微鏡、大型望遠鏡等專業的光學設備,僅僅使用非球面透鏡可能依然無法滿足需求,這是就需要一套精細的光學系統來修正像差。

光學系統其實就是一系列不同種類透鏡的組合,通過增加透鏡數量可以逐級地對非近軸光進行處理。

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