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什么是非球面镜头？球面像差校正原理与制造方法比较

非球面镜头是指曲率半径从镜头中心到周边连续变化的曲面镜头，用于校正球面镜头产生的球面像差。球面镜头中心和周边的弯曲程度是一致的，因此数值孔径越大的周边光线折射越强，会在偏离理想成像位置的地方与光轴相交。非球面形状通过针对每个区域分别调整曲率、使其对准“希望聚光的位置”，从而抑制这种成像误差。本文将从包括球面像差在内的像差整理，到研磨抛光、玻璃模压、树脂注塑成型三种制造方法的比较，再到树脂注塑成型在实现量产的同时所面临的设计权衡逐一介绍。

📌 三行读懂本文

非球面镜头通过连续改变曲率半径来校正球面像差，是照相镜头大口径化、广角化不可或缺的核心技术
制造方法大致分为研磨抛光、玻璃模压、树脂注塑成型三种，各方式在精度、量产性、成本上的平衡各不相同
树脂注塑成型在自由曲面和量产性方面表现出色，但耐热性、折射率的温度依赖性、双折射的控制是设计上的课题，光学树脂本身的物性设计决定了性能高低

什么是非球面镜头？校正球面像差的镜头形状

球面镜头是从球体上切割出一部分的形状，加工容易、成本较低，但原理上会产生球面像差——即通过镜头中心的近轴光线和通过周边的光线焦点位置不一致（光学仪器与电子仪器开发生产合作伙伴.com 光学镜头的种类）。非球面镜头采用球面无法实现的曲面，通过在不同位置改变曲率来降低球面像差（Katsura Opto Systems 什么是非球面镜头）。

在照相镜头领域，非球面形状在大口径镜头的球面像差校正，以及超广角、变焦镜头的畸变像差校正方面尤其有效（Panasonic 数码相机讲座球面镜头与非球面镜头）。在智能手机摄像头、车载摄像头、XR（扩展现实）设备这类需要同时实现小型化、薄型化与高成像性能的光学系统中，采用非球面形状几乎已成为前提。

什么是像差？以球面像差为核心的成像误差分类

像差是指偏离理想成像关系的程度，分为单色像差和色差两大类。单色像差又可细分为球面像差、彗差、像散、场曲、畸变这5种（赛德尔像差）（光学镜头设计.com 光学设计基础：像差的种类）。

球面像差是指轴上物点发出的光线射入镜头时，数值孔径越大的光线折射越强，偏离理想成像位置后与光轴相交而产生的。彗差是轴外物点发出的光无法汇聚到像面上的一点、呈彗星状拖尾的现象，像散是两个相互垂直方向上焦点位置不同的现象，相当于人眼的散光。场曲是平面被摄体的像成像在曲面上的现象，畸变则是像本身的形状发生扭曲的现象。色差则是由介质折射率随波长变化而产生的，分为轴向色差和倍率色差。

非球面镜头主要校正的是球面像差，而抑制色差则需要另外从材料的阿贝数入手进行设计，两者是相互独立的设计参数。

非球面镜头的制造方法研磨抛光、玻璃模压、树脂注塑成型

非球面形状的制造方法大致分为三种。

制造方法	精度	量产性	形状自由度	特点
研磨抛光	高	低	低	适合多品种小批量、特殊规格，但工序长、成本高
玻璃模压	高	中~高	中	用精密模具压制预制件转印成型，量产性和重现性俱佳
树脂注塑成型	高	高	高	可实现自由曲面设计，低温成型，容易降低量产单价

研磨抛光是先将材料削磨至接近非球面形状，再通过抛光修整表面粗糙度和形状，并通过测量反复确认误差、循环加工的方法。这种方式容易获得高精度，对设计变更的适应性也强，在试制阶段有优势，但工序长，因而耗时耗费成本（note 关于玻璃模压非球面镜头）。

玻璃模压是将接近成品尺寸和重量的预制件加热软化，再用磨制成非球面形状的精密模具压制、转印形状的加工方法。这种方式能在保持玻璃原有耐磨性、耐热性的同时，实现高精度且高效的量产（富士胶片非球面玻璃镜头成型）。不过，高温工艺带来的模具劣化和气氛控制难度是其课题。

树脂注塑成型是将光学塑料在相对较低的温度下注入模具、转印包括非球面在内的自由曲面的方法。由于可以低温成型，因此被广泛用于小型摄像头模组和读取传感器用镜头（富士胶片非球面塑料镜头成型）。

树脂注塑成型的优势与权衡

树脂注塑成型只要模具足够精密，就能通过自动连续运转实现大批量生产，而且不需要像玻璃模压那样经过高温压制工序，因此容易压低量产单价。它还能在面内连续改变曲率的自由曲面设计，以及局部曲率不同的复杂非球面形状成型方面表现出较强的适应能力，设计自由度高也是其优点。

另一方面，树脂的耐热性比玻璃弱，使用环境受限，而且折射率和线膨胀率的温度依赖性据称可达玻璃的10倍以上，吸水导致的折射率变化也不容忽视（岛津制作所非球面树脂镜头的折射率测定）。此外，注塑成型时因分子取向和残留应力产生的双折射、内部均质性不及玻璃、成型时的收缩和变形，都是设计上的制约。因此，要在树脂注塑成型中发挥非球面镜头的量产优势，不仅需要优化成型条件，兼具耐热性、折射率稳定性和低双折射的光学树脂材料设计本身也是前提条件。

光学树脂所需的物性阿贝数、双折射、Tg 的控制

树脂注塑成型非球面镜头的性能，受光学树脂物性设计的影响不亚于成型条件本身。抑制色差直接关系到表示树脂色散特性的阿贝数，数值越大越容易抑制色差。像的模糊和对比度下降则是由分子取向、残留应力引起的双折射导致的，因此低双折射设计也是决定非球面镜头成像品质的重要因素。此外，规定成型温度区间和实际使用耐热极限的玻璃化转变温度（Tg），决定了在车载摄像头这类高温环境用途中能否被采用。

要用树脂充分发挥非球面镜头这种形状设计带来的优势，必须选用能在高水平上同时兼顾这三项物性的光学树脂。

Iupizeta EP的定位兼顾高折射率、低双折射与高耐热的光学树脂

三菱瓦斯化学的光学树脂“Iupizeta EP”具有高折射率，可实现镜头薄型化与高性能化，同时通过独特的分子设计将折射率的各向异性抑制到极限，确保画质清晰、没有模糊，这是这款光学树脂的特点（Iupizeta EP官方产品页面）。它还具有优异的流动性，薄型镜头以及复杂精细的非球面形状也能按模具形状精密成型，这也提高了它与非球面镜头用途的适配性。

预期用途包括智能手机摄像头镜头、车载摄像头、XR设备的光学系统，其牌号覆盖从可见光到用于传感的近红外区域，实现了高折射率、低双折射、高耐热这些通常容易相互制约的要求同时满足。要在非球面镜头这种精密形状中发挥树脂注塑成型的量产优势，这样的物性设计起着决定性作用。

总结

非球面镜头通过连续改变曲率半径来校正球面像差，在各类像差中，它是单色像差代表——球面像差的主要对策。制造方法大致分为研磨抛光、玻璃模压、树脂注塑成型三种，精度与量产性的平衡因方式而异。树脂注塑成型在自由曲面设计和量产性方面表现出色，但也存在耐热性、折射率的温度依赖性、双折射等课题，克服这些课题的关键在于光学树脂自身的物性设计。选用能在高水平上兼顾阿贝数、双折射、玻璃化转变温度的光学树脂，是实现树脂非球面镜头量产化和高性能化的必要考量。