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在光學系統中，非球面透鏡被廣泛應用于消除球面像差、彗差、像散、畸變等。與球面透鏡相比，非球面透鏡能夠獲得更高的光學質量和成像性能。因此，在一些對成像要求較高的應用中，如光學儀器、攝影鏡頭、望遠鏡等領域，非球面透鏡得到了廣泛的應用。
非球面透鏡，折射面為非球面的曲面的透鏡。一般可分成簡單曲面(如拋物面)和復合曲面兩類。經過復雜計算的非球面透鏡,可用于透鏡組球面像差的校正。由于非球面表面經適當的復合,可使透鏡中央為正,邊緣為負,因而可以同時具有多種校正功能,并在理論上可使球面像差減少至0。
球面透鏡是指從透鏡的中心到邊緣具有恒定的曲率，而非球面透鏡則是從中心心到邊緣之曲率連續發生變化。在攝影鏡頭中，為了保證光學性能，必須校正眾多的“像差”。若僅僅用球面透鏡來校正，則對應鏡頭的技術要求需要有許多透鏡組合。
一般來說，傳統的球面透鏡由于其球面的對稱性，當使用不同的波長光線照射時，透鏡會有不同的折射率，而引起色差。非球面透鏡則可以通過設計不對稱的曲率半徑來實現色差校正，使不同波長的光線在透鏡內有相同的折射率，從而減少了色差。
矯正像場變形或扭曲。透鏡在成像時會使得圖像邊緣的物體變形或扭曲，影響成像的清晰度。非球面透鏡可以通過設計不對稱的曲率半徑，使不同位置的光線在透鏡內具有相同的折射率，能更好地矯正像場變形或扭曲。
相比簡單透鏡，非球面鏡的復雜表面可以減少或者消除球差或者其他像差。單一非球面鏡可以替代很多的復雜球面鏡系統。這樣的系統設計會更小，更輕，甚至有時候會更便宜。非球面鏡元件被用來設計多光學元件的廣角鏡或者標淮鏡頭，以此來減少像差。小的模貯非球面鏡通常可以用來淮直激光二極管。
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