超精確非球面鏡片

　　大多數(shù)攝影鏡頭都是由多片球面鏡組合而成，這種鏡頭只能靠設(shè)計(jì)中對(duì)鏡片曲率的不斷調(diào)試并且整合不同鏡片的相對(duì)位置來(lái)獲得接近理想的成像效果。雖然現(xiàn)代電腦自動(dòng)化設(shè)計(jì)和模擬技術(shù)可以使球面鏡的制作精度高而更高，但是球面鏡本身的特點(diǎn)之一就是平行光束在理論上很難精確地聚集在一個(gè)點(diǎn)上，由此帶來(lái)大光圈下的成像相對(duì)模糊，超廣角端的圖像扭曲以及鏡頭外形難以進(jìn)一步縮小等問(wèn)題。為了消除這種弊端，取得更佳的成像效果、更少的圖像形變程度、更小的鏡頭尺寸，唯一的辦法就是使用非球面鏡技術(shù)。

　　早在二十世紀(jì)六十年代，佳能已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)非球面鏡技術(shù)，剛步入七十年代時(shí)就已經(jīng)初見(jiàn)成果。在1971年佳能成功地推出了一款商業(yè)級(jí)含非球面鏡元件的單反鏡頭--FD 55mm f/1.2AL。為此，佳能的技術(shù)團(tuán)隊(duì)還獨(dú)立研發(fā)出“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)”以測(cè)量超精度非球面鏡的鏡片。在這項(xiàng)技術(shù)中，被測(cè)量的鏡片置于一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的架子上并圍繞鏡片曲度中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一個(gè)干涉測(cè)量?jī)x開(kāi)始計(jì)算被測(cè)鏡片表面與參考球面鏡表面的區(qū)別，測(cè)量結(jié)果被實(shí)時(shí)錄入電腦中，處理出的數(shù)據(jù)反饋回測(cè)量部門。“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使測(cè)量精度達(dá)到了0.02微米，是光的波長(zhǎng)的1/32。而在隨后多年的非球面鏡片發(fā)展中，這項(xiàng)科技也成為佳能不可或缺的核心關(guān)鍵。

圖1 球面鏡與非球面鏡光學(xué)原理對(duì)比

　　為了精確加工非球面鏡，佳能也建立起復(fù)雜精細(xì)的工序。鏡片先在高精度控制下進(jìn)行表面特殊形狀打磨，然后進(jìn)行更加細(xì)致的均勻拋光以防破壞非球面鏡片的形狀。起初時(shí)，鏡片表面加工和高精度的球面測(cè)量不得不一次又一次地重復(fù)，因此鏡片質(zhì)量事實(shí)上更像手工制作。直到1974年，佳能開(kāi)發(fā)出一臺(tái)特殊的加工機(jī)，使得每月非球面鏡片產(chǎn)量達(dá)到1000片以上，以此為大規(guī)模量產(chǎn)鋪平了道路。

　　80年代初，佳能投入更多精力對(duì)大光圈玻璃塑模非球面鏡頭進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，在85年時(shí)制造出了可以量產(chǎn)應(yīng)用的設(shè)備系統(tǒng)。這種玻璃塑模非球面鏡直接由一部壓模機(jī)在高精度非球面金屬模具的控制下制造成型，既達(dá)到了可更換單反相機(jī)鏡頭的要求，又可以進(jìn)行相對(duì)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。到了90年代，佳能研發(fā)出第四類非球面鏡生產(chǎn)技術(shù)，這項(xiàng)科技實(shí)現(xiàn)了玻璃非球面鏡表面上的鍍膜。

　　在EF鏡頭的發(fā)展過(guò)程中，這四項(xiàng)非球面鏡加工技術(shù)使佳能的工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)各種鏡頭時(shí)有極大的自由來(lái)選擇最合適的技術(shù)應(yīng)用。非球面鏡能夠極大減少球面鏡鏡頭在大光圈下產(chǎn)生的像差，補(bǔ)償廣角端的圖像扭曲并使得小規(guī)模、高畫質(zhì)的變焦鏡頭的生產(chǎn)技術(shù)得到發(fā)展。

　　Since1969——螢石鏡片

　　佳能的“白筒紅圈”L系列超長(zhǎng)焦鏡頭憑借極其優(yōu)良的表現(xiàn)力和銳度一直為全球的專業(yè)攝影師所稱贊。其中高畫質(zhì)的關(guān)鍵就是使用了能夠徹底消除二級(jí)光譜色差的螢石鏡片與超低色散鏡片。

　　對(duì)于超長(zhǎng)焦鏡頭，使用玻璃鏡片會(huì)碰到成像質(zhì)量上限的局限，殘留色差對(duì)長(zhǎng)焦鏡頭畫面銳度可能產(chǎn)生極大的影響。在相機(jī)鏡頭中，光線通常要穿過(guò)不同的鏡片，產(chǎn)生出高或低色散的兩種波匯聚到一點(diǎn)上。如果通過(guò)一個(gè)鏡片分解出的紅藍(lán)光束能夠準(zhǔn)確地匯聚在一個(gè)點(diǎn)上，則稱此鏡片為“無(wú)色散”鏡片。不過(guò)即使紅藍(lán)光束已經(jīng)聚集在某點(diǎn)，但他們的中間色，即綠色，仍會(huì)投射在另一個(gè)點(diǎn)。這種即使在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)經(jīng)過(guò)修正，但是依然不能消除的光束就是二級(jí)光譜。這個(gè)情況的產(chǎn)生是因?yàn)椴煌牟ＡЧ鈱W(xué)元件之間存在不同比率的色散，而每種光波發(fā)生色散的總比率是趨近于保持固定。因此當(dāng)使用玻璃光學(xué)元件時(shí)，由于理論上的限制，二級(jí)光譜色差在焦距小于焦距的千分之二情況下不可能被消除。

圖2 螢石與普通玻璃的光學(xué)特性對(duì)比

　　玻璃的主要成分是二氧化硅，并添加了些許鋇氧化物和鑭，在玻璃材質(zhì)制造過(guò)程中，所有物質(zhì)都放進(jìn)一個(gè)熔爐中，在1300至1400度的高溫下熔煉融合，然后自然冷卻。而螢石，有類似水晶的原子結(jié)構(gòu)，并具備玻璃光學(xué)元件難以匹及的低色差、小折射角度等非同尋常的特質(zhì)。因此用螢石材料來(lái)打破傳統(tǒng)玻璃光學(xué)元件中存在的色差局限，并表現(xiàn)出完美的視覺(jué)效果是相對(duì)容易的。另外在紅光至綠光的光譜范圍內(nèi)，螢石的色散特性與玻璃的色散特性幾乎一致，但是在綠光到藍(lán)光的范圍內(nèi)則大大不同。正是這些螢石鏡片的應(yīng)用，使得“大白”等超長(zhǎng)焦鏡頭的畫質(zhì)比起傳統(tǒng)長(zhǎng)焦鏡頭的畫質(zhì)有了極大的提升。

　　當(dāng)一塊螢石凸透鏡與一塊高色散玻璃凹透鏡按照使紅光與藍(lán)光匯集于一點(diǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)則組合成一組透鏡，此時(shí)螢石包含的低邊緣色散特性能夠有效地使綠光光束也投射在紅藍(lán)光點(diǎn)上，這就令二級(jí)光譜減小到了一個(gè)微乎其微的程度。

　　另外，前凸后凹結(jié)構(gòu)鏡片的光線分布使全圖像區(qū)域清晰程度大幅提高，并且讓鏡頭物理長(zhǎng)度小于鏡頭焦距成為可能。在用此類前后結(jié)構(gòu)的透鏡組時(shí)，凸透鏡的折射率能夠達(dá)到極低的水平，同時(shí)還能保證拍攝的圖像從中心延伸至鏡頭邊緣，每一處畫質(zhì)都無(wú)比銳利。

　　對(duì)于普通玻璃元件來(lái)說(shuō)，減短鏡頭長(zhǎng)度后可能會(huì)導(dǎo)致難以修正鏡片曲率，成像質(zhì)量大大降低。而對(duì)于螢石鏡片，減短長(zhǎng)度能使螢石鏡片凹凸結(jié)構(gòu)鏡頭變得更加緊湊，低折射率材料同時(shí)改善了佩茲伐和數(shù)，令鏡頭空間縮短的同時(shí)仍然保持成像的高質(zhì)量。

　　螢石材料優(yōu)秀的光學(xué)特性早在19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)，但天然螢石只以非常細(xì)微的形態(tài)存在于自然當(dāng)中，其大小只合適于制作顯微鏡的鏡片。雖說(shuō)鏡頭設(shè)計(jì)師們長(zhǎng)久以來(lái)都渴望使用螢石來(lái)制作鏡片，但是事實(shí)是獲得大小合適的天然螢石片近乎癡人說(shuō)夢(mèng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，佳能培育出人工螢石結(jié)晶并在二十世紀(jì)六十年代末最終建立起可操作的螢石量產(chǎn)系統(tǒng)。佳能第一部使用人造水晶結(jié)構(gòu)螢石的鏡頭是1969年生產(chǎn)的FL-F 300mm f/5.6，如今，唯一在數(shù)碼單反相機(jī)可更換型鏡頭中使用螢石的只有EF系列。

　　螢石鏡片在超長(zhǎng)焦距鏡頭中的表現(xiàn)令人非常滿意，但是將螢石應(yīng)用于其他非長(zhǎng)焦鏡頭卻也有不足——人工生產(chǎn)螢石的成本非常昂貴。為此，設(shè)計(jì)師們也在尋找一種特殊而平價(jià)的玻璃元件來(lái)提供接近螢石特性的效果，這一目標(biāo)終于在70年代由超低色散鏡片達(dá)到。這種鏡片的折射和色散性能不及螢石鏡片，但是遠(yuǎn)比普通玻璃鏡片優(yōu)秀。此外，UD鏡也展示出絕少的邊緣色散性能，相對(duì)來(lái)說(shuō)，優(yōu)良的UD鏡片在經(jīng)過(guò)適當(dāng)搭配組合后，其成像效果已經(jīng)可達(dá)到非常接近螢石鏡片的程度(兩片UD鏡片組合相當(dāng)于一片螢石鏡片元件)。

　　比螢石更強(qiáng)的鏡片——DO(多層衍射光學(xué)元件)

　　DO鏡片的出現(xiàn)基于衍射現(xiàn)象研究的進(jìn)展(關(guān)于衍射的概念可見(jiàn)本文最后的附注)。這種元件形狀不對(duì)稱，不過(guò)相比螢石鏡片和UD鏡片更加優(yōu)異的消除色散性能使它吸引了很多業(yè)內(nèi)人士的注意。以往，由于存在衍射眩光的問(wèn)題，想要將消除色差元件組合進(jìn)鏡頭中是頗為費(fèi)勁的工作。為此佳能開(kāi)發(fā)出多層衍射光學(xué)鏡片，獨(dú)一無(wú)二的結(jié)構(gòu)令鏡頭可以更小、更短、色差更細(xì)微。第一臺(tái)使用DO鏡片的鏡頭是佳能EF 400mm f/4 DO IS USM，其緊密、輕巧的鏡身和極其優(yōu)異的成像質(zhì)量讓DO鏡片名聲大噪。

　　單片DO鏡

　　由于振幅型衍射光柵結(jié)構(gòu)不適合用于照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，因此只能應(yīng)用另一種外形酷似“斧頭刃”的相位型衍射光柵。這種光柵并不擋住光線，而是依靠像“菲涅爾透鏡”那樣的多個(gè)同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)制造出衍射波。改變光柵間距得到的圖像在成像特點(diǎn)上與非球面鏡成像特點(diǎn)如出一轍，因此單層衍射元件就可以用來(lái)解決例如球面鏡像差等一系列問(wèn)題。

　　波長(zhǎng)大的光束在經(jīng)過(guò)衍射光柵后會(huì)產(chǎn)生較大的衍射角度，換句話說(shuō)就是波長(zhǎng)大的光束經(jīng)過(guò)光柵后會(huì)距離光柵較近，而波長(zhǎng)小的光束只能在更遠(yuǎn)處形成圖像。同理，由于射入折射鏡的的光線還具備一定的亮度，因此短波長(zhǎng)的光束可以在距離較近的位置形成圖像，而長(zhǎng)波長(zhǎng)光不得不靠后一些。對(duì)于色差問(wèn)題，這也就意味著同時(shí)使用一組衍射元件和折射元件可以將色差的位置順序調(diào)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，而如果將這兩個(gè)系統(tǒng)合并則能夠校正互相的色差，就能使色差現(xiàn)象徹底消除。與前文所說(shuō)那種凹凸鏡片結(jié)合以校正色差的技術(shù)不同，靠光學(xué)衍射消除色差只需要利用凸透鏡即可，這也就為簡(jiǎn)化鏡頭內(nèi)各個(gè)鏡片組提供了便利，同時(shí)還可以有效地校正除了色差之外的其他成像缺陷。

圖3 DO結(jié)構(gòu)示意圖

　　DO鏡的發(fā)展

　　單層衍射光學(xué)元件已經(jīng)配合激光技術(shù)應(yīng)用在讀取CD、DVD的激光頭上，不過(guò)這項(xiàng)科技也不能夠直接轉(zhuǎn)到攝影鏡頭領(lǐng)域。畢竟激光的波長(zhǎng)固定，而攝影中接受的光線波長(zhǎng)豐富。為了讓折射鏡把射入鏡頭的光線全部折射掉，鏡片表面的多層鍍膜結(jié)構(gòu)可以使所有人眼可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變成影像表現(xiàn)光。例如EF 400mm f/4 DO IS USM鏡頭中使用了兩塊面對(duì)面擺放的同心圓環(huán)柵格單層鍍膜衍射鏡。由于鏡頭內(nèi)光線不會(huì)產(chǎn)生無(wú)意義的衍射光，因此DO鏡把幾乎所有的人眼可見(jiàn)光都轉(zhuǎn)變成了影像表現(xiàn)光，從而提高了成像的質(zhì)量。

　　DO鏡系統(tǒng)靠一塊球面鏡片和一塊衍射結(jié)構(gòu)鏡片組成，衍射鏡在一個(gè)特殊塑料模具中打磨成型。鏡片上的衍射光柵薄厚達(dá)到了微米級(jí)，光柵間隔從幾毫米逐漸減小至十余微米。為了保證衍射光柵的間隔、厚度、位置符合標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)制作過(guò)程的測(cè)量精確程度甚至達(dá)到微米之下。一些新技術(shù)為此而生，例如3D超高精準(zhǔn)微構(gòu)建技術(shù)，同時(shí)佳能公司的一些成熟科技也被用上，例如復(fù)合非球面鏡工藝和高精準(zhǔn)定位技術(shù)等。

　　三層DO鏡

　　原理上，DO系統(tǒng)具備縮小變焦鏡頭物理長(zhǎng)度的潛力。不過(guò)事實(shí)上，已經(jīng)出現(xiàn)在EF 400mm f/4 DO IS USM定焦鏡頭上的雙DO鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)恐怕很難被再次使用。首先，對(duì)于定焦鏡頭的入射光照基本上是固定的，而在變焦鏡頭中，光線入射角會(huì)隨著焦距調(diào)整而大幅改變。從已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的DO鏡頭來(lái)看，改變光照入射角的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生不必要的衍射光線，因此可能造成眩光而極大影響成像質(zhì)量。不過(guò)新研發(fā)的3層DO鏡結(jié)構(gòu)按照合適的搭配順序組裝在光軸上，可以補(bǔ)償焦距調(diào)整帶來(lái)的光照改變。

　　3層衍射光柵可以保證任何進(jìn)入鏡頭的光束都不會(huì)衍生出雜余光線，同時(shí)仍然能夠使幾乎所有的入射光都轉(zhuǎn)變成對(duì)影像有益的影像表現(xiàn)光。3層DO結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)在EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM鏡頭中，它有效地提升了光線折射率，縮短了鏡頭物理長(zhǎng)度，對(duì)色散和非球面鏡特性的弊病實(shí)現(xiàn)完美的補(bǔ)償。

　　相比用傳統(tǒng)折射鏡片工藝制造的EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM鏡頭，EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM在長(zhǎng)度上縮短了30%，同時(shí)其修正了色差、球差之后的成像質(zhì)量也完全達(dá)到了佳能最優(yōu)秀的L系列鏡頭水平。

　　關(guān)于衍射：

　　衍射是光波經(jīng)過(guò)物體邊緣或細(xì)小孔徑后發(fā)生的傳播方向彎曲現(xiàn)象。這是一種光波傳播的特征，無(wú)法被消除，比如在鏡頭光圈過(guò)小時(shí)就有可能發(fā)生。衍射眩光是鏡頭內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)的干擾源，當(dāng)光進(jìn)入鏡頭，光圈葉片后方就會(huì)出現(xiàn)衍射而影響成像質(zhì)量。不過(guò)衍射的特性也可以用于控制光入射的方向，假如在光的傳播途徑上設(shè)置兩個(gè)緊緊挨著的狹縫，這樣就能得到類似在小光圈下發(fā)生的眩光效果。

　　具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)光束穿過(guò)兩個(gè)并排的孔隙，在每個(gè)小孔開(kāi)始發(fā)生衍射，也就相當(dāng)于兩個(gè)孔隙變成了兩個(gè)光源。這樣從外部射入的紛雜光束經(jīng)過(guò)兩個(gè)小孔后，發(fā)出的光線又趨近同向。從兩點(diǎn)發(fā)出的光有些在經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后會(huì)疊加起來(lái)，有些則要經(jīng)過(guò)兩個(gè)或更多周期才會(huì)疊加。其中那些經(jīng)歷了一個(gè)周期后便匯合的光線的方向稱為衍射方向(Primary Diffraction)，兩個(gè)并排緊挨的孔隙叫衍射光柵。改變兩個(gè)孔隙相互之間的距離會(huì)導(dǎo)致衍射方向改變，每個(gè)孔隙自身的寬度以及光源波長(zhǎng)決定著衍射現(xiàn)象的程度(即衍射角度)。