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)中對鏡片曲率的不斷調(diào)試并且整合不同鏡片的相對位置來獲得接近理想的成像效果。雖然現(xiàn)代電腦自動化設(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點(diǎn)上，由此帶來大光圈下的成像相對模糊，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)開始開發(fā)非球面鏡技術(shù)，剛步入七十年代時就已經(jīng)初見成果。在1971年佳能成功地推出了一款商業(yè)級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)換測量系統(tǒng)”以測量超精度非球面鏡的鏡片。在這項(xiàng)技術(shù)中，被測量的鏡片置于一個轉(zhuǎn)動的架子上并圍繞鏡片曲度中心旋轉(zhuǎn)，同時一個干涉測量儀開始計(jì)算被測鏡片表面與參考球面鏡表面的區(qū)別，測量結(jié)果被實(shí)時錄入電腦中，處理出的數(shù)據(jù)反饋回測量部門。“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測量”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使測量精度達(dá)到了0.02微米，是光的波長的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，鏡片表面加工和高精度的球面測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，佳能開發(fā)出一臺特殊的加工機(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大光圈玻璃塑模非球面鏡頭進(jìn)行研究與開發(fā)，在85年時制造出了可以量產(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)展過程中，這四項(xiàng)非球面鏡加工技術(shù)使佳能的工程師們在設(shè)計(jì)各種鏡頭時有極大的自由來選擇最合適的技術(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光譜色差的螢石鏡片與超低色散鏡片。

　　對于超長焦鏡頭，使用玻璃鏡片會碰到成像質(zhì)量上限的局限，殘留色差對長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。如果通過一個鏡片分解出的紅藍(lán)光束能夠準(zhǔn)確地匯聚在一個點(diǎn)上，則稱此鏡片為“無色散”鏡片。不過即使紅藍(lán)光束已經(jīng)聚集在某點(diǎn)，但他們的中間色，即綠色，仍會投射在另一個點(diǎn)。這種即使在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)經(jīng)過修正，但是依然不能消除的光束就是二級光譜。這個情況的產(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，由于理論上的限制，二級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)制造過程中，所有物質(zhì)都放進(jìn)一個熔爐中，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)出完美的視覺效果是相對容易的。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”等超長焦鏡頭的畫質(zhì)比起傳統(tǒng)長焦鏡頭的畫質(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，這就令二級光譜減小到了一個微乎其微的程度。

　　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，凸透鏡的折射率能夠達(dá)到極低的水平，同時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)都無比銳利。

　　對于普通玻璃元件來說，減短鏡頭長度后可能會導(dǎo)致難以修正鏡片曲率，成像質(zhì)量大大降低。而對于螢石鏡片，減短長度能使螢石鏡片凹凸結(jié)構(gòu)鏡頭變得更加緊湊，低折射率材料同時改善了佩茲伐和數(shù)，令鏡頭空間縮短的同時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。雖說鏡頭設(shè)計(jì)師們長久以來都渴望使用螢石來制作鏡片，但是事實(shí)是獲得大小合適的天然螢石片近乎癡人說夢。為了解決這個問題，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，相對來說，優(yōu)良的UD鏡片在經(jīng)過適當(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)于衍射的概念可見本文最后的附注)。這種元件形狀不對稱，不過相比螢石鏡片和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。為此佳能開發(fā)出多層衍射光學(xué)鏡片，獨(dú)一無二的結(jié)構(gòu)令鏡頭可以更小、更短、色差更細(xì)微。第一臺使用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解決例如球面鏡像差等一系列問題。

　　波長大的光束在經(jīng)過衍射光柵后會產(chǎn)生較大的衍射角度，換句話說就是波長大的光束經(jīng)過光柵后會距離光柵較近，而波長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，因此短波長的光束可以在距離較近的位置形成圖像，而長波長光不得不靠后一些。對于色差問題，這也就意味著同時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)過來，而如果將這兩個系統(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，這也就為簡化鏡頭內(nèi)各個鏡片組提供了便利，同時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。畢竟激光的波長固定，而攝影中接受的光線波長豐富。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)光線不會產(chǎn)生無意義的衍射光，因此DO鏡把幾乎所有的人眼可見光都轉(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，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)，整個制作過程的測量精確程度甚至達(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度的潛力。不過事實(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鏡頭來看，改變光照入射角的同時會產(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衍生出雜余光線，同時仍然能夠使幾乎所有的入射光都轉(zhuǎn)變成對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，縮短了鏡頭物理長度，對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在長度上縮短了30%，同時其修正了色差、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，無法被消除，比如在鏡頭光圈過小時就有可能發(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，光圈葉片后方就會出現(xiàn)衍射而影響成像質(zhì)量。不過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。

　　具體來說，當(dāng)光束穿過兩個并排的孔隙，在每個小孔開始發(fā)生衍射，也就相當(dāng)于兩個孔隙變成了兩個光源。這樣從外部射入的紛雜光束經(jīng)過兩個小孔后，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)過一個周期后會疊加起來，有些則要經(jīng)過兩個或更多周期才會疊加。其中那些經(jīng)歷了一個周期后便匯合的光線的方向稱為衍射方向(Primary Diffraction)，兩個并排緊挨的孔隙叫衍射光柵。改變兩個孔隙相互之間的距離會導(dǎo)致衍射方向改變，每個孔隙自身的寬度以及光源波長決定著衍射現(xiàn)象的程度(即衍射角度)。