1.球面像差的本质

球面像差（Spherical Aberration）是由于镜头表面为球面时，不同入射高度（离光轴距离不同）的光线聚焦点位置不一致所造成的成像模糊，因而影响画面清晰度。

近光轴光线（Paraxial rays）→聚焦位置较远（靠近理论焦点）

远光轴光线（Marginal rays）→聚焦位置较近（在理论焦点前）

这种焦点位置的差异，就容易导致中心清晰、边缘模糊的现象。

2.形成原因的物理解释

①折射角差异。对于球面，曲率半径随位置变化，离中心越远，表面法线变化越快，导致折射角更大。

②高阶像差项的积累。对于大光圈镜头，这种差异的影响会成倍增加。

③单透镜与多组镜片差异。单透镜几乎无法校正球面像差，而多组镜片可以通过不同曲率、不同玻璃折射率的组合实现抵消。

3.球面像差的危害

球面像差会直接破坏镜头的成像质量，具体表现为：

①点像弥散：理想的“点光源”（如恒星、像素点）会变成“模糊的光斑”，边缘带有明暗过渡的光晕；

②画质下降：整体画面锐度降低，细节（如文字、纹理）模糊，尤其在镜头光圈全开时（边缘光线占比高）；

③对比度降低：弥散的光斑会导致画面明暗反差减弱，暗部细节丢失、亮部泛白。

4.避免球面像差的设计方法

要避免球面像差问题，在镜头制造端，主要有以下几类手段：

（1）光学设计阶段

①使用非球面镜片（Aspherical Lens）

曲率随半径变化的非球面镜片，可以让所有光线趋向同一点聚焦，从根源上消除球面像差。

优点：一片非球面镜片可抵消多片球面镜片的像差。

缺点：加工难度高，公差要求极严。

②多镜片组合优化

使用不同折射率、不同曲率的镜片组合（常见于消色差设计），在光路追迹（Ray Tracing）优化中让边缘光与中心光一致聚焦。

③折射率分布镜片（GRIN lens）

通过材料内部折射率渐变分布，让光路在透镜内部得到预补偿。

（2）制造与工艺阶段

①高精度研磨与抛光

球面精度必须在纳米级面形误差范围内，否则像差会被放大。

②模压成型非球面镜片（Precision Glass Molding）

适用于大批量生产，但模具温度控制、应力释放非常关键。

③注塑非球面塑料镜片

低成本，但受材料热膨胀与老化限制，多用于消费级设备。

（3）使用端辅助

①缩小光圈（f/8或更小）

缩小光圈虽然不是根治方法，但减少有效光通径可以削弱边缘光线的影响。

②软件算法补偿

部分相机在JPEG/RAW处理时会基于镜头模型做锐化补偿。

5.4K/高分辨率镜头的特殊考虑

如何制作4K及以上分辨率的镜头，这里球面像差的容忍度极低：

像元尺寸小→任意微小像差都会导致MTF降低；

全画幅或大靶面传感器→边缘成像质量要求更高；

高速光圈需求→大光圈下球差更难压制。

因此，高端设计往往会使用：

多组非球面+低色散玻璃结合；MTF优化目标设置在全视场与全光圈范围；公差分析（Tolerance Analysis）严格控制面形误差与装调偏差。