非球面レンズと球面レンズ：詳細な比較

レンズは、顕微鏡やカメラからプロジェクター、自動車のヘッドランプに至るまで、すべての光学システムの中心にあります。球面レンズと非球面レンズの選択は、システムの性能、コスト、複雑さに深い影響を与えます。この記事では、それらの基本的な違いを解説し、各タイプが最適な選択となる時期を示します。

A 球面レンズ特徴は、球のセグメントである1つまたは2つの表面です。一般的な形状には、双凸、双凹、平凸、および平凹タイプが含まれます。

スネルの法則によれば、光線は曲面で屈折します。曲率が一定であるため、光軸から遠い光線は中心の光線とは異なる屈折をし、球面収差を引き起こします：周辺の光線は軸方向の光線と同じ焦点に収束せず、シャープネスとコントラストが低下します。

非球面レンズは、少なくとも1つの非球面の表面を持っています—通常、円錐曲線や高次項のような多項式または自由形状の方程式によって説明されます。

表面プロファイルを調整することで、非球面レンズは中央およびエッジの光線を共通の焦点に導き、球面収差を効果的に排除します。彼らの複雑な形状は、適切に最適化されると、コマ収差や乱視を軽減することもできます。

レンズの直径と絞りサイズが大きくなると、画像点の周りにぼやけたハローが生じます。

色収差、コマ収差、そして非点収差は、しばしば補正のために追加のレンズ要素（例：アクロマティックダブレット）が必要です。

エンジニアリングされた表面プロファイルは、すべての光線を同じ焦点に導き、優れたエッジからエッジへのシャープネスを実現します。

球面収差のために主に設計されていますが、非球面面はコマ収差や非点収差を軽減するように調整でき、多要素設計を簡素化します。

小口径システムでは回折が支配的で受け入れ可能; 開口部が大きくなるにつれて性能は急激に低下します。

大きな絞りでも高い変調伝達関数（MTF）値を維持し、鮮明で高コントラストの画像を提供します。

残留収差と回折に制限されているため、広い絞りや短焦点設計では細部が失われる可能性があります。

理論的回折限界近くで、顕微鏡および高精度計測におけるサブマイクロン解像度を可能にします。

分散は主に材料特性です。非球面は本質的に色収差を変えるわけではありませんが、要素が少ないシステムレベルの設計は累積分散を減少させることができます。

ガラス溶融 → ブランク切断 → 球面研削 → 磨き → コーティング。

材料、機械の減価償却、労働；規模の経済から大いに恩恵を受ける。

高精度CNC生成、ガラス成形、イオンビームフィギュアリング。

複雑なツールパス、長いサイクルタイム、プロトタイプツーリング；高いボリュームで償却されると、コストは下がります。

シンプルな拡大鏡、低コストの光学機器のおもちゃ、基本的なウェブカメラ。

しばしば、色のない要素やメニスカス要素と組み合わせて、収差を修正します。

高速ズームと最小の収差を必要とする広角レンズ。

顕微鏡、リソグラフィステッパー—サブマイクロン精度が必須です。

VR/ARヘッドセット用のコンパクト光学、ファイバー結合コンポーネント、精密レーザー焦点。

球面レンズは、低〜中程度の性能ニーズに対してコスト効率が高く、シンプルです。非球面レンズは、単価は高いものの、比類のない画像忠実度を提供し、システムの簡素化を可能にします。レンズの選択をアプリケーションの要件に合わせて調整することで—予算、光学性能、フォームファクターのバランスを取ることで—デザイナーは、消費者向けカメラから最先端の科学機器に至るまで、最適な結果を達成できます。