在光学系统中，非球面透镜被广泛应用于消除球面像差、彗差、像散、畸变等。与球面透镜相比，非球面透镜能够获得更高的光学质量和成像性能。因此，在一些对成像要求较高的应用中，如光学仪器、摄影镜头、望远镜等领域，非球面透镜得到了广泛的应用。
非球面透镜，折射面为非球面的曲面的透镜。一般可分成简单曲面(如抛物面)和复合曲面两类。经过复杂计算的非球面透镜,可用于透镜组球面像差的校正。由于非球面表面经适当的复合,可使透镜中央为正,边缘为负,因而可以同时具有多种校正功能,并在理论上可使球面像差减少至0。
球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球面透镜则是从中心心到边缘之曲率连续发生变化。在摄影镜头中，为了保证光学性能，必须校正众多的“像差”。若仅仅用球面透镜来校正，则对应镜头的技术要求需要有许多透镜组合。
一般来说，传统的球面透镜由于其球面的对称性，当使用不同的波长光线照射时，透镜会有不同的折射率，而引起色差。非球面透镜则可以通过设计不对称的曲率半径来实现色差校正，使不同波长的光线在透镜内有相同的折射率，从而减少了色差。
矫正像场变形或扭曲。透镜在成像时会使得图像边缘的物体变形或扭曲，影响成像的清晰度。非球面透镜可以通过设计不对称的曲率半径，使不同位置的光线在透镜内具有相同的折射率，能更好地矫正像场变形或扭曲。
相比简单透镜，非球面镜的复杂表面可以减少或者消除球差或者其他像差。单一非球面镜可以替代很多的复杂球面镜系统。这样的系统设计会更小，更轻，甚至有时候会更便宜。非球面镜元件被用来设计多光学元件的广角镜或者标淮镜头，以此来减少像差。小的模贮非球面镜通常可以用来淮直激光二极管。
