在光學系統中，描述像差的方法主要有兩種：波像差法和幾何像差法。
波像差基於光的電磁波理論，借助波面進行研究。如果光學系統成完善像，則任一物點發出的球面波經過光學系統後在像空間應該是以高斯像點為秋心的球面波。也可以以高斯像作為成像參考，以物體發出的光線經過光學系統後其出身光纖相對於高斯像的偏差來衡量光學系統成像缺陷。
光學系統的近軸區具有理想的光學系統的性質，光學系統近軸區的成像被認為是理想像。實際光學系統所處的像和近軸區所稱的像的差異即為像差。
光學系統對單色光成像時產生單色像差，單色光像差分為五類，球差，慧差，像散，場曲和畸變。對白光成像時，還額外產生兩種色差，軸向色差和垂軸色差。
光線經單個折射球面的光路計算，是指在給定單個折射球面的結構參量n、n'、和r時，由已知入射光線l和u，計算折射後出射的引數l『和u』。
如圖所示，在三角形aec中，應用正弦定理有：
由於折射球面關於光軸旋轉對稱，對於光軸上點發出的任一條光線的光路，可以表示該光線繞光軸旋轉一周所形成的錐面上全部光線的光路，顯然這些光線在像方交光軸於同一點。當l為定值時，l'是u的函式。若發出同心光束，由於各光線具有不同的u，因而光束經球面折射後，將有不同的l'值，即失去了同心性。
如圖所示的光學系統有三個光闌，透鏡l1成像到物空間，就是它本身；實際上起著限制光軸上物點的光束的作用，即為孔徑光闌，孔徑光闌在物空間的像稱為入射光瞳。由物點發出經過入瞳邊緣的光線與光軸的夾角，即成為光學系統的物方孔徑角，此角即即為軸上點作邊緣光線光路計算所取的孔徑角。同理，把所有光闌通過其後面的光組成像到系統的像空間去。孔徑光闌在系統像空間的像成為出射光瞳。
入射光瞳決定了能進入系統成像的最大光束孔徑，並且是物面上各點發出並進入系統成像光束的公共入口。出瞳光瞳是物面上各點的成像光束經過系統後射出系統的公共出口。入射光瞳通過整個光學系統所成的像就是出射光瞳。如果孔徑光闌在整個光學系統的像空間，它本身也就是出射光瞳，反之，在物空間，就是入射光瞳。
為了了解軸外物點所發出的充滿入瞳的光束的結構和傳播，可通過主光線取出兩個互相垂直的截面，其中乙個是主光線和光軸決定的平面，稱為子午面；另乙個是通過主光線和子午面垂直的截面，稱為弧矢面。
自光軸上一點發出的光線，經球面折射後所得的像方截距l'是物方孔徑角u或入射高度h的函式。因此，軸上點發出的同心光束經光束經光學系統各個球面折射以後，不再是同心光束，入射光線的孔徑角u不同，其出射光線與光軸交點的位置就不同，相對於理想像點有不同的偏離。由於球差的存在，使得在高斯像面上得到的不是點像，而乙個圓形瀰散斑，也可以以瀰散斑的半徑表示球差，稱為橫向球差，高斯像面為軸向像差，
球差是光軸上物點存在的唯一的一種單色像差，它與物點發出光線的物方孔徑角有關。物方孔徑角與光線在入瞳面上經過的點的位置有關。光學系統入瞳多為圓形，軸上點發出的光束在通過光學系統前、後均對稱於光軸，所以子午面內光軸以上的光束的球差就可以表示物點發出的全部光束的球差。子午面內光軸以上一條光線的球差，實際上代表了與光軸有相同夾角的圓錐面上光束的球差，稱為乙個帶光球差。
球差的存在，使得物點在高斯像面上成乙個瀰散斑，這將使像模糊不清。對於單透鏡來說，光線的物方孔徑角越大，球差量也越大單透鏡不能校正球差，正透鏡產生負球差，負透鏡產生正球差。
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