球面レンズと非球面レンズ: 主な違いの説明

球面レンズと非球面レンズ: 本質的な違い

非球面レンズは、球面レンズよりも鮮明で正確な画像を生成します 特にフレームの端に向かって。球面レンズはボールのように均一に湾曲する表面を持っていますが、非球面レンズは光をより正確に曲げるように数学的に最適化された可変曲率を持っています。その結果、非球面設計により、球面レンズでは複数のレンズ要素を重ね合わせなければ簡単に修正できない歪みが修正されます。

とはいえ、球面レンズが時代遅れになったわけではありません。これらは、制限が管理可能であるか、低コストが重要であるか、または光学的特性が実際に望ましいアプリケーションで依然として広く使用されています。両方のタイプを理解すると、眼鏡、カメラのレンズ、光学機器のいずれを選択する場合でも、より賢明な選択を行うことができます。

各レンズタイプの仕組み

球面レンズの形状

あ 球面レンズ 完全な球の形状に従う 1 つまたは複数の表面があります。サーフェス上のすべての点は、中心点から同じ半径に位置します。この均一な曲率は、従来の研削および研磨技術を使用して簡単に製造できるため、球面レンズが何世紀にもわたって光学機器の主流を占めてきました。

問題は物理学です。球面レンズの外側ゾーンを通過する光線は、中心を通過する光線とはわずかに異なる点に収束します。この欠陥はと呼ばれます 球面収差 特に広い絞りで、細かい部分が柔らかくなったりぼやけたりする原因になります。

あspherical Lens Geometry

あn aspherical lens has at least one surface whose curvature changes gradually from the center toward the edges. The precise profile is computed so that all incoming light rays, regardless of where they strike the surface, converge at the same focal point. This eliminates or greatly reduces spherical aberration in a single element.

ガラス成形、プラスチック射出成形、ガラスへのハイブリッド樹脂コーティングなどの現代の製造方法により、非球面レンズは、手作業で個別に研磨する必要があった数十年前に比べて、はるかに手頃な価格で入手できるようになりました。

光学上の主な違いの概要

球面収差: 実際にそれが重要な理由

球面収差は単なる教科書の問題ではありません。 f/1.4 の絞りでは、明るい球面プライム レンズでは、目に見えてコントラストが低くなり、明るい被写体の周囲がかすんだ輝きを示すことがあります。これは「球面レンダリング」と呼ばれることもあります。一部の写真家はポートレートにこの柔らかな特徴を意図的に求めていますが、臨床的な鮮明さが必要とされる科学、建築、製品の画像処理ではこれが真の制限となります。

球面レンズを f/5.6 または f/8 に絞ると、外側のゾーンが大幅に閉じられ、収差が大幅に減少します。古い球面レンズが「絞るとシャープ」という評判が多いのはこのためです。対照的に、非球面レンズは次の傾向があります。 開放絞りでもシャープ これは、暗い場所で撮影する場合に大きな利点となります。

あspherical Lenses in Eyeglasses

処方眼鏡では、球面レンズと非球面レンズの区別が快適さと見た目の美しさに直接影響します。

厚さと重量

あspherical eyeglass lenses are notably thinner and flatter than their spherical counterparts at the same prescription power. -6.00 ジオプトリの処方の場合、非球面レンズはおよそ 20 ～ 30% 薄くなります。 同じ屈折率素材の標準的な球面レンズよりも優れています。この厚さの減少は重量の軽減にもつながり、一日中着用していても鼻や耳にかかる圧力を軽減します。

周辺部の視覚的な鮮明さ

球面の眼鏡レンズは周辺の歪みを引き起こし、度数が高くなるほど悪化します。レンズの端を通して見える物体は、着用者が目を動かすと曲がったり、泳いだりして見えます。非球面デザインはこの影響を軽減し、多くの装用者は、特に新しい処方の適応期間中に、より自然な視覚体験を得ることができると述べています。

外観

非球面レンズはより平坦であるため、強い処方によって生じる拡大または縮小効果を最小限に抑えます。ハイプラス処方により、球面レンズを通して目が大きく見えます。マイナス度が高いと小さく見えます。非球面デザインは両方の影響を軽減するため、プラスまたはマイナス 3.00 ジオプトリを超える処方に通常推奨されます。

あspherical Lenses in Photography and Videography

カメラのレンズは通常、同じ光学式で球面要素と非球面要素の両方を組み合わせています。レンズ設計者は、非球面要素を戦略的に使用して、修正するためにいくつかの追加の球面要素が必要となる収差を修正します。これにより、レンズ鏡筒の短縮と軽量化、および広角開放性能の向上という 2 つの実用的な利点がもたらされます。

広角レンズと超広角レンズ

あspherical elements are especially valuable in wide-angle lenses, where controlling barrel distortion and coma is particularly difficult. A 16mm or 24mm wide-angle lens almost always includes at least one aspherical element. Without it, straight lines near the frame edges would visibly curve inward or outward.

高速単焦点レンズ

あ fast prime at f/1.2 or f/1.4 exposes a large aperture zone where spherical aberration is most severe. Including one or two aspherical elements allows the lens to deliver 絞り開放時の中心シャープネス これは、全球デザインでは同じ速度で達成することは不可能でした。非球面要素を備えた最新の f/1.4 レンズは、古い全球面 f/1.4 設計が f/2.8 であっても、開放値で微細なディテールを日常的に解像します。

ボケに関する考慮事項

注目に値するトレードオフの 1 つは、ボケ味です。一部の非球面レンズは、不均一な表面プロファイルにより、微妙なオニオン リングやエッジのアーティファクトを伴う焦点の合っていないハイライトを生成します。精密なガラス成形を使用した高品質の非球面レンズはこの影響を最小限に抑えますが、滑らかで特徴のない背景のぼかしを優先する写真家にとっては依然として考慮事項です。対照的に、全球面レンズは通常、よりきれいで円形のボケディスクを生成します。

それでも球面レンズがより良い選択である場合

あspherical lenses are not always superior in every context. There are situations where a spherical design is more appropriate:

• 予算重視のアプリケーション 非球面光学系のコストプレミアムが最終用途に見合わない場合
• あrtistic portrait work 広い開口部での柔らかい球面のレンダリングは、意図的な美的選択です。
• 低度数メガネの処方箋 プラスまたはマイナス 2.00 ジオプトリー未満、視覚的および見た目の違いはわずかです
• 望遠鏡と顕微鏡 ここでは、慎重に選択されたガラスタイプを使用した特殊な球面デザインがすでに非常に高いレベルで機能しています。
• 望遠レンズ 視野が狭く、球面収差がより簡単に制御され、歪みがあまり気にならない場合

製造とコストの現実

歴史的に、非球面レンズは各要素を個別に研磨し、正確なプロファイルにテストする必要があったため、コストが大幅に高くなりました。現在、ガラス成形技術により、メーカーは溶融ガラスを非球面金型にプレスし、厳しい公差で何百もの同一の要素を製造できるようになりました。プラスチック射出成形は、家電製品、コンパクトカメラ、スマートフォンに使用されるポリマーレンズでも同様のことを実現します。

コストギャップは大幅に縮まりましたが、ハイエンドカメラレンズの大口径非球面レンズは依然として高価です。これは、このようなレンズを大口径で光学精度に合わせて成形することが依然として技術的に厳しいためです。大型の非球面レンズは研削によって製造される場合もありますが、これには熟練した技術者と専用の設備が必要です。

球面と非球面の選び方

特定のニーズに合わせて適切な決定を下すには、次の実践的なガイドラインを使用してください。

1. プラスまたはマイナス 3.00 ジオプトリを超える度数の眼鏡の場合 、非球面を選択します。レンズの厚さの減少、エッジの歪み、および美容上の拡大効果は明ら​​かに顕著です。
2. 広い絞りまたは広い焦点距離で使用されるカメラレンズの場合 、非球面要素を含むデザインを好みます。レンズ仕様書を確認してください。評判の良いメーカーは、非球面要素の数をリストしています。
3. 滑らかでどこか幻想的な描写を求めるポートレートレンズに 、古い全球面デザインでは、非球面レンズでは再現できない好ましい外観が得られる場合があります。
4. 小絞りまで絞った用途向け f/8 から f/11 の風景写真などでは、絞りが収差を隠すため、球面レンズの方がはるかに競争力があります。
5. スマートフォンやアクションカメラなどの小型デバイス向け 、非球面レンズは、画質を犠牲にすることなくモジュールを薄くできるため、標準装備されています。

概要

非球面レンズの基本的な利点は、複数の球面要素を交換するか、同じ数の要素でより優れた性能を実現することにより、球面設計よりも効率的に球面収差と歪みを補正できることです。眼鏡の場合、これは、周辺部の歪みが少なく、より薄く、より平らで、より軽いレンズに相当します。カメラにおいては、広い絞りでのより鮮明な画像と、広角設計でのより適切に制御されたジオメトリを意味します。

球面レンズは、コストが主な制約となる場合、球面レンズ本来の描写特性が重視される場合、またはアプリケーションが非球面プロファイルによる補正を必要としない場合には、依然として適切です。 どちらのタイプも普遍的に優れているわけではない ;正しい選択は、特定の光学タスク、使用する絞り範囲、および画質と予算のバランスによって異なります。