眼鏡店大肆宣傳的非球面鏡真的那麼好嗎?

現代社會，人們用眼壓力越來越大，近視比例也越來越高，眼鏡幾乎成為了現代社會的剛性需求。

無論是在眼鏡店裡，還是驗光中心，配過眼鏡的小夥伴一定見過下面這個對比圖。

眼鏡店裡的工作人員往往也會在推銷時，把「非球面鏡片」當作宣傳的噱頭。那麼，球面鏡片和非球面鏡片到底差在了哪裡呢？非球面鏡片的好處是真的嗎？

今天，小編就從光學的角度為大家分析它們的區別。

球面鏡片與非球面鏡片

在做具體介紹之前，小編先帶大家分別了解一下球面鏡片與非球面鏡片。

球面鏡片與非球面鏡片其實並不是科學的概念，也沒有標準的定義，而是商家出於宣傳目的引入的名詞，有點和近期火爆一時的「酵素」類似。

而在專業的光學教材中，如果不加任何解釋，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，恰好和商家宣傳的球面鏡類似。

雖然沒有科學的定義，但為了方便後文的描述，我們不妨就把光學課本裡的透鏡稱為「球面透鏡」。

相對地，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複雜的曲面，有較高的設計和加工難度。

經過誇張後的非球面透鏡與球面透鏡對比

最早被人們研究、設計和使用的透鏡其實都是球面透鏡。原因也很簡單，這種透鏡結構上更加簡單，方便物理學家們計算它的相關性能。

因此，我們在光學課上學的「透鏡成像規律」其實都是物理學家利用球面透鏡總結而來的。這也是為什麼光學課本上出現的都默認是這種透鏡。

而且在工業技術不發達的年代，這種簡單的構造也方便了設計師與工程人員對透鏡的設計和加工工作。

被忽略的非近軸光

眾所周知，眼鏡是透鏡的一種，一般的近視鏡為凹透鏡，可以使光線發散，遠視鏡為凸透鏡，可以使光線會聚。

初中的物理課上，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後的焦點上。

當平行光穿過凹透鏡，使光線會發散，且發散後各光線的反向延長線會恰好匯聚到凹透鏡前的焦點上。

然而，中學物理老師沒有講到的是，以上規律要想成立，還必須有一個重要的條件，那就是以上所說的平行光都是「近軸光」，即入射光線都必須在光軸附近。所以，通常把中學期間學的透鏡叫做理想透鏡。

如果入射的平行光離光軸太遠，以上規律就不再成立。因此對於球面鏡片製作的眼鏡而言，不管鏡片多大，真正有用的部分只有最中央的一小塊區域。

如果你朝著球面眼鏡的邊緣看，非但看不清楚物體，而且眼中的呈現的物體的形狀也會發生改變，起不到矯正視力的效果。

這也是文章最開始的圖片中，球面鏡片下邊緣部位的網格出現模糊與扭曲的原因。

不過，好消息是，人眼瞳孔的尺寸很小，眼睛可轉動的範圍也不大，我們完全可以忽略非近軸光的影響。

因此即便球面鏡片眼鏡的可用範圍較小，也是足夠日常使用了。「非球面鏡片」的必要性其實有待商榷。

非近軸光與像差

雖然對於眼鏡來說，非近軸光幾乎可以忽略不計，但是它究竟會帶來怎樣的影響呢？這就要引入像差的概念。

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。

由於凸透鏡的光路比較簡單，我們不妨以球面遠視眼鏡的鏡片為例，看看從不同位置入射的與光軸平行的平行光（正對透鏡的平行光），最終會形成怎樣的光路。

球差

從上面的動圖我們可以看到，當近軸光平行光入射後，會完美地交於一點，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後，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，無論怎麼調整，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後無法完美會聚在一點的現象，不過這裡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。

彗差

正如上圖所示，對於球面透鏡而言，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。

最後，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。

存在彗差的星空照片

上圖便是用沒有消除彗差的相機拍攝的星空，可以看到星星右上角都帶上了一個「小尾巴」，就好像彗星一般。

非球面鏡與光學系統

好消息是，人們並不是拿這些像差沒有辦法，通過巧妙設計透鏡前後兩個表面的形狀，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，採用光學性能更好的材料也有助於減小像差。

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，並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，對於眼鏡來說，這種修正已經綽綽有餘了。

對於相機、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。

第二個透鏡收集第一個透鏡的非近軸光，減少像差；第三個透鏡再收集第二個透鏡的非近軸光……以此類推，一層層地減少誤差。

比如下圖就是某品牌魚眼鏡頭的剖面圖，該鏡頭共用了17片透鏡，其中大部分是用於消除像差的。

沒想到，一個小小的透鏡背後竟然藏著如此大的學問。下次，小夥伴們再去眼鏡店購買眼鏡時，心裡是不是更踏實了呢？

其實，除了鏡片有球面與非球面外，眼鏡的門道還很多，我們的公眾號裡還有一篇關於挑選眼鏡的文章，感興趣的小夥伴可以從下面的連結裡查看哦。