定义
由球面光学表面产生的光学像差。
大多数光学透镜都有球面，因为这些表面可以最容易地制造出高光学质量。然而，这种表面形状对于成像来说并不理想。然后镜头的外部部分过于强烈弯曲。这在考虑球透镜时最为明显。图1显示了直径为10 mm，折射率为1.515（N-BK7玻璃，633 nm）的球透镜，用于聚焦平行入射光。外部入射光线穿过光轴的速度比副轴射线快得多。
图 1：用球透镜聚焦光线。虽然副轴射线具有灰色垂直线所示的焦点位置，但外部射线的折射更强。因此，这种透镜在用于成像时会导致强烈的球面像差。
图 2：用球透镜聚焦发散光。
当使用具有球面的透镜进行成像应用时，解释的效果会导致所谓的球面像差，这会严重降低图像质量。同样，使用球面透镜聚焦或准直激光束会导致光束失真。
在许多情况下，球透镜的像差效应远不如上面所示的那么极端，因为所涉及的曲率并不那么强。
平面板的球面像差
球面像差问题可以推广到与相变的非理想径向依赖性相关的所有像差。即使对于平面表面，例如平面平行板，当发散或收敛光穿过这样的板时，也会发生这种情况。这主要是因为折射定律包含正弦函数而不是切线函数，这是避免球面像差所必需的。
示例案例如图 3 所示。
球面像差的定量
光学系统或光学元件（如透镜）的球面像差强度通常通过绘制图像焦点纵向位置的偏差作为入射光线横向偏移的函数来量化。通常，可以交换坐标轴，以便生成的绘图更接近于水平光轴。上述位置误差可能随横向梁坐标的平方而缩放，但在球面像差得到部分补偿的情况下（见下文），该补偿可能适用于特定的水平偏移，但不适用于其他偏移。
减少球面像差
球面像差可以通过不同的方式减少：
- 最简单的方法是用光学孔径限制入射光的面积。这样，人们可以防止球面像差最极端的外部区域对图像产生影响。然而，这意味着光通量降低。
- 可以使用非球面透镜，其表面形状经过修改，从而避免了球面像差。
- 可以使用球面透镜的组合，其设计使得球面像差得到很好的补偿。例如，这种方法经常用于照相物镜。
在某种程度上，还可以根据所需的配置，通过选择适当类型的透镜来减少球面像差（见图3）：
- 为了将小光斑成像为相同大小的光斑，对称双凸透镜非常适合。但是，最好结合使用两个平凸透镜，外侧有平坦的表面。
- 对于非对称应用，例如聚焦准直光束或准直强烈发散光束，平凸透镜可能更合适。最好的解决方案实际上是在两侧具有优化曲率半径的不对称透镜，但平凸透镜通常足够接近。它必须定向，使得曲面位于准直光束的一侧。然后，两个镜头表面都有助于对焦作用。
图 4：推荐用于重新对焦和准直的镜头类型。对称重焦的中间情况在像差方面优于第一种，但由于两个额外的光学表面，因此可能具有更高的损耗。
通常，应使用透镜，使两个表面对聚焦作用的贡献相似。
非球面光学元件允许用更少的组件实现高性能目标。
用于非球面光学器件的改进光学制造方法的发展导致其使用量增加，使制造商能够用更少的透镜制造高性能物镜 - 这也可以提高光通量。但是，请注意，其他类型的光学像差仍然会发生。
