当我们透过相机镜头、望远镜或是显微镜观察世界时，我们期望看到的是一个清晰、锐利的世界、可现实中，光学系统总存在各种不完美，其中一种最为基础且普遍的缺陷，便是球面相差、它如同一个与生俱来的“原罪”，困扰着每一个使用球面透镜或球面反射镜的光学系统、要理解它，我们必须深入光线传播的本质与球面几何的特性。
球面相差，顾名思义，是因透镜或镜面的“球面”形状而产生的“像差”、一个理想的光学元件，应当能将一束平行于主光轴的入射光线，精准地汇聚到同一个点上，这个点我们称之为焦点、对于一个简单的球面透镜，这个理想化的场景并不会发生、从透镜中心附近通过的光线（近轴光线）与从透镜边缘通过的光线（边缘光线），在折射后并不会相遇于同一点。
具体来说，边缘光线会比近轴光线受到更强烈的弯折、它们会更早地与主光轴相交，形成一个更靠近透镜的焦点、而近轴光线则会相交于一个更远的点、这样一来，原本应该是一个点的焦点，在现实中变成了一段弥散的线段、若我们将一个接收屏放在这个光路中，无论放在哪个位置，都无法得到一个清晰的点状图像、我们能找到的最好位置，只是一个光斑最小的圆形区域，这个区域被称为“最小弥散圆”、正是这个弥散的光斑，导致了图像的模糊、对比度下降，细节丧失、这便是球面相差在成像上的直观表现。
那么，为何球面会造成这种光线汇聚的“不守规矩”呢？答案藏在球体的几何学之中。
为了让所有平行光线都汇聚于一点，透镜的表面需要一个特定的曲率，能够确保无论光线从何处进入，其折射角都能恰到好处地将它引向唯一的焦点、经过精确的数学计算，我们发现能够完美实现这一功能的曲面是抛物面，而非球面、抛物面具有一个独特的几何特性：任何平行于其对称轴的光线，经抛物面反射或折射后，都会精确地汇聚到其焦点上。
可问题在于，制造一个精准的抛物面透镜或镜面，其工艺难度和成本远高于制造一个球面、球面是几何上最简单的曲面之一，它在所有方向上都具有相同的曲率，这使得研磨和抛光变得异常容易、数百年来，大规模生产的光学元件绝大多数都是球面的，这是成本与工艺妥协的结果。
使用球面，就意味着我们用一个“近似完美”的形状去代替“理论完美”的形状、在透镜中心区域，球面的曲率与抛物面非常接近，因此近轴光线的行为基本符合理想情况、但随着离中心越来越远，到达透镜边缘时，球面与理想抛物面的形状差异变得越来越显著、球面的边缘部分相比于抛物面“弯曲得更厉害”，导致它对边缘光线的偏折作用过强，从而使这些光线过早地聚焦、这场由几何形状的“先天不足”引发的光线路径差异，便是球面相差的物理根源。
既然球面相差的产生根植于球面的几何特性，光学工程师们便围绕着如何“修正”这一缺陷，发展出了一系列精妙的设计。
一种最直接的方法是使用非球面透镜、这种透镜的表面经过精密计算和加工，不再是单纯的球面，而是被修正成一个更接近理想抛物面的复杂曲面、通过在透镜边缘区域减小曲率，使得边缘光线受到的折射作用减弱，从而能与近轴光线汇聚于同一点、非球面镜片能极大地校正球面相差，显著提升成像质量，这也是为何现代高端相机镜头中常常包含一至多片非球面镜片的原因。
另一种常见且经济的策略是巧妙地利用光圈、通过缩小光圈（或在光路中设置挡板），可以有效地遮挡住那些引起麻烦的边缘光线，只允许表现良好的近轴光线通过、这样一来，球面相差被大大减弱，成像的锐度会得到显著提升、这在摄影中是人尽皆知的技巧：收小几档光圈，照片往往会更锐利、其代价是进入系统的总光量减少了，图像会变暗。
组合透镜系统也是对抗球面相差的有力武器、工程师可以将一块会产生正向球面相差的凸透镜（边缘光线焦点靠前）与一块会产生负向球面相差的凹透镜（边缘光线焦点靠后）组合在一起、通过精心设计两块透镜的曲率、厚度和材质，可以使得两者的像差在很大程度上相互抵消，从而获得一个整体表现优异的透镜组、绝大多数现代镜头都是由多片透镜构成的复杂系统，其设计目标之一就是平衡包括球面相差在内的各种像差。
历史上最著名的球面相差案例，莫过于哈勃空间望远镜、其主镜在制造时出现了微乎其微的形状偏差，导致了严重的球面相差，传回的图像模糊不清、最终，通过一次复杂的太空维修任务，为其安装了一套名为“COSTAR”的校正光学系统（本质上是一组小型的校正镜），才使其恢复了设计的视力，开启了它辉煌的探索之旅、这个例子生动地说明了球面相差对精密光学仪器的致命影响，以及人类校正它的智慧。
