从广义上讲，球体和平面以外的光学表面统称为非球面表面。 球面透镜是从透镜中心到边缘具有恒定曲率的球面;非球面的曲率半径随距光轴的距离而变化。
光学系统中使用的非球面有三种类型：第一种是轴对称非球面，如旋转圆锥面和旋转高阶面第二种类型是具有两个对称表面的非球面，例如圆柱面和复曲面第三种类型是没有对称性的自由曲面。
但是，我们在这里专门讨论的是符合旋转对称性的特定表达的曲面，即第一种类型。 大多数应用的非球面表面也属于这一类。
一
数学表达式
最常用的非球面表达式是作为基准面的圆锥面和一系列高阶多项式与表达式叠加：
其中：z = 平行于光轴的表面轮廓。
s = 到光轴的径向距离。
c = 曲率，半径的倒数。
k = 圆锥常数。
a4、a6、a8...第一次......亚非球面系数。
如下图所示，生成的实际圆锥面将取决于圆锥常数的大小以及正负号。
如果无法将圆锥曲线横截面和非球面透镜曲面连接起来，则下图将横截面恢复为实体曲面视图
二. 二.第二
材料选择
光学材料最重要的物理参数是折射率、阿贝数和局部色散值。 阿贝数代表色散特性，小阿贝数代表色散特性高的材料。 此外，还需要考虑材料在不同波段的透射率值，如紫外（常用于显微光刻机）、可见光（消费类光学产品）、红外光（夜视系统）;材料的机械性能，如硬度（有助于评估切削和磨削的成本）、杨氏模量;以及与温度相关的特性等。 常用的材料有玻璃、石英晶体、多晶陶瓷和聚合物。
玻璃
具有温度相变的玻璃适用于通过压缩成型得到的非球面透镜，主要用作数码相机和手机相机在红外波段具有高透射率的玻璃，如硫化物，多用于军事安全系统。
聚合物
聚合物可分为热塑性聚合物和热固性聚合物，塑料非球面透镜可采用注塑成型或金刚石车削加工，由于聚合物的光学性能对温度的依赖性，聚合物不具有长期稳定性，受温度和湿度影响很大。
微晶陶瓷
膨胀系数为零的微晶玻璃（材料在温度下略微改变其尺寸，保持其形状和尺寸稳定性）重量轻，尺寸可以非常大，通常用于天文观测和LCD投影系统。
单晶和多晶陶瓷
晶体材料价格昂贵，而晶体材料加工非球面透镜，必须采用计算机数控或金刚石单点车削方法进行，而材料和加工成本的高昂使得这种非球面只能用于工业和军事仪器。
三
加工技术
经济的制造工艺是使非球面表面广泛使用的关键因素之一。 根据生成的非球面数量、非球面的大小和公差值，这决定了实际加工表面形状与设计或理论表面形状之间的最大允许偏差，非球面可以通过不同的方法加工，例如注塑成型、玻璃成型或精密磨削。
现代加工技术大致可以划分它是一种经典的加工技术，研磨和混合技术具体常用技术请见下图。 经典加工工艺的加工步骤主要是成型-抛光-局部校正抛光。
CNC加工
CNC（数控加工）的最大优点是具有很强的几何形状和材料适应性，不需要特殊的成型工具，几乎可以加工所有脆性材料，并且具有很高的表面精度。 CNC加工非球面的典型工艺包括三个步骤：环带磨削-环带抛光-磁流变抛光。
环磨：去除主要材料，形成精密的亚微米非球面;
带材抛光：主要是为了改善表面粗糙度和次表面损伤，以及研磨后的中频表面误差;
磁流变抛光（MRF）：确定性地校正变形表面以达到规定的精度要求，MRF完成抛光表面的超精密抛光。 磁流变抛光主要是通过受外磁场影响的磁流变流体技术在刀具和工件之间进行的，可以使纳米级精度的超精细加工成为可能。 由于不需要特殊的刀头，安装时间短，灵活性高，适用于小批量。
电脑控制抛光
CCP（计算机控制抛光）或CCOS（计算机控制光学表面成型）是一种矫正抛光程序。 目的是对光学元件的表面进行校正和抛光，提高光学元件的性能。 CCP是光学企业中使用最多的技术，小磨头抛光工艺几乎可以应用于所有直径，从几毫米到8米。
离子束抛光
离子束抛光（IBF）是一种特殊的计算机控制抛光技术。 能量粒子的数量取代了CCP中的抛光垫、液体射流或磁流变液作为抛光工具。 加速离子，如氩离子，在原子尺度上轰击样品表面，就像喷砂一样。 优点：非接触式，无刀具磨损，可用性高，在分子水平上去除。
离子束技术是光学制造领域最大的突破之一，可以制造出非常精确的表面。 但受限于高投资、高真空技术、低去除率，限制了待加工材料。
精密玻璃成型
由于研磨和抛光无法制造具有衍射特性的光学元件，因此用这种技术制造非球面透镜的成本非常高。 精密玻璃成型（PGM）是一种低成本、大规模生产的技术，适用于玻璃光学元件的加工，它是一种不需要表面冷加工的热成型技术。
PGM技术已广泛应用于光学元件的制造，如大批量生产非球面（直径在0.）的光学成像。2至20mm）和照明元件（聚光镜、继电器透镜、集成板等，每年超过2亿件）、手机数码相机、通信、光存储和光传感等，其中手机、相机等典型产品每月需要50多万件。
高精度聚合物注射成型
精密注塑成型旨在高效地大量制造球面、非球面和其他塑料镜片和单片镜片。 例如，用于汽车雨刮器的光学传感器、用于货币控制系统的非球面透镜和用于相机的聚焦屏幕。 与玻璃相比，光学塑料重量轻、成本低，更适合大规模生产，并且具有高度的光学设计自由度，更适合大批量、低成本生产非球面光学元件。
基于晶圆技术的非球面微透镜加工技术
非球面微透镜和微透镜阵列是医疗应用、远程工作、计量、激光和照明系统中的关键组件。 从离子扩散、注射成型、压缩研磨到基于晶体的制造，不同的技术可用于微透镜的生产，并且已经得到了很好的发展。 对于高质量的微光学产品，基于晶圆的微透镜制造技术是最有前途的。 它可以利用半导体行业中的现成工艺，如溶胶、光刻、反应离子腐蚀等。 该技术能够生产 10 微米至 2 毫米的微透镜，具有出色的一致性和亚微米横向位置精度，可用于生产非球面透镜轮廓。
不同加工技术的具体特点如下表所示
四
应用领域和生产水平
非球面应用正变得越来越广泛，不同类型的非球面透镜被用于从大量消费光学器件到光刻机、空间通信和航空遥感仪器的特殊物镜等各种领域。 在下表中，我们总结了应用领域、主要优势和生产水平。
非球面光学元件的先进制造与应用
当然，在了解了设计、选材和加工工艺之后，离非球面透镜元件的成品还有很长的距离，还有光学性能测试、镀膜、组装等后续步骤，更重要的是需要大量的理论知识、实际操作经验和量产经验。
维度光电推出了新系列的非球面透镜，包括：非球面裸透镜、带卡口的非球面透镜、红外非球面透镜、非球面光纤准直器。非球面透镜体现了前沿技术与精密技术的完美结合，打破了传统球面透镜的局限性，为用户带来前所未有的产品体验。