(50周年記念)超精密加工への挑戦が生んだ非球面レンズ

(50周年記念)超精密加工への挑戦が生んだ非球面レンズ

プロ向けのハイエンドモデルからエントリーモデルまで、今では多くの交換レンズに搭載されている非球面レンズ。さまざまな収差を効果的に補正し、画質を向上させることは古くから知られていました。しかし、1万分の1mmというサブミクロンレベルで曲率をコントロールしてレンズを製造することは極めて難しいため、かつては「夢のレンズ」と言われていました。キヤノンは、半世紀以上も前の1971年、この非球面レンズを使用した一眼レフカメラ用交換レンズを製品化。以来、精度や加工法を進化させ非球面レンズによる高画質化をリードしています。

非球面レンズ(2006年12月制作:3分4秒)

像がぼやける、球面収差

球面レンズでの撮影例(光の点がぼやけている)

球面レンズでの撮影例(光の点がぼやけている)

非球面レンズでの撮影例(光の点が点として結像している)

非球面レンズでの撮影例(光の点が点として結像している)

一般的なレンズは曲面が球体の一部をスライスした形になっており、球面レンズと呼ばれています。球面レンズに光が入射する際、レンズ周辺部を通る光は中心部を通る光よりも像面までの距離が遠くなるため、焦点位置がわずかに前にずれてしまいます。そのため、スポット像としての点が点として描写されず、ぼやけてしまいます。これを球面収差と言います。
非球面レンズは、レンズ周辺部に行くに従い曲率を変えてすべての光の焦点位置を一致させることで球面収差を抑制します。

球面レンズで発生する球面収差

球面レンズで発生する球面収差

非球面によって焦点位置を合致

非球面によって焦点位置を合致

像がゆがむ、歪曲収差

歪曲収差も非球面レンズによって効果的に補正できる収差の1つです。歪曲収差はディストーションとも呼ばれ、広角レンズでは樽型の、望遠レンズでは糸巻型の歪みが発生しやすくなります。

像がゆがむ、歪曲収差

非球面レンズはさまざまな収差を補正できますが、1枚の非球面レンズで全ての収差を補正できるわけではありません。複数の多様なレンズを組み合わせた1本のレンズの中で、非球面レンズの配置を変えることで補正できる収差が変化します。例えば、樽型ディストーションは前側に非球面レンズを配置することで良好に補正ができます。

球面レンズでの撮影例(樽型ディストーションの例)

球面レンズでの撮影例(樽型ディストーションの例)

非球面レンズでの撮影例

非球面レンズでの撮影例

非球面レンズの誕生と進化

非球面レンズにより収差を抑制する理論は古くからあり、天体望遠鏡のレンズなどでは1900年代前半から使用されていました。非球面と言っても、球面レンズとの曲面の差を肉眼で見分けられるほどではなく、理論通りの曲面を再現するにはサブミクロンオーダーの加工・計測精度が必要です。また、望遠鏡と違い、より広い画角に対応しなければならないことや、一定の量産性が必要なことなど、カメラ用レンズとして非球面レンズを製造するには、極めて高いハードルがありました。

FD55mm F1.2AL (1971年発売)

FD55mm F1.2AL (1971年発売)

しかし、キヤノンでは「より高画質なレンズをたくさんのユーザーに届けたい」という思いから、1963年、未踏の技術である非球面レンズのカメラ用レンズへの応用に挑み始めました。1969年の日本カメラショーには、試作品としてFL55mm F1.2ALを出品。その2年後、一眼レフカメラ用大口径非球面レンズを搭載したFD55mm F1.2ALを発売しました。

非球面レンズの量産化にあたっては、当時の宇宙計画に関連して開発された先端技術も取り入れ、超精密非球面研削機ALG-Zと測定機ALMを開発。レーザー干渉計により工具砥石を制御して100nm(ナノメートル)以内の形状加工精度、50nm以内の加工精度で表面の研削を実現しました。キヤノン独自の研磨理論により開発された均等研磨技術と組み合わせることで、一月に1,000枚以上もの研削非球面レンズの生産を可能としました。

その後、より量産性が高く低価格なプラスチックモールド(PMo)非球面レンズ、高精度非球面金型を用いたプレス加工による大口径ガラスモールド(GMo)非球面レンズの実用化にも成功しました。

  • 1982年:キヤノンスナッピィ50発売(カメラ用撮影レンズとして世界初のプラスチックモールド非球面レンズを採用したカメラ)
  •     1985年:New FD35-105mm F3.5-4.5発売(35mmカメラ用交換レンズとして、世界初のガラスモールド非球面レンズを採用)

1990年には、球面レンズの表面に紫外線硬化樹脂被膜の非球面を形成させるレプリカ非球面技術も確立。
キヤノンでは、これら4種類の非球面レンズ生産技術を、各レンズの目指す画質レベルや用途によって最適に選択し、高品質なレンズを開発し続けています。

さまざまなニーズを満たすキヤノンの非球面レンズ

研削非球面レンズ
世界最大口径(2015年発売当時)のEF11-24mm F4L USMに使用されている研削非球面レンズ

世界最大口径(2015年発売当時)のEF11-24mm F4L USMに使用されている研削非球面レンズ

ガラスを1枚1枚研削、研磨して仕上げるため、非常に高精度な非球面レンズを製造できる方式です。また、さまざまな種類のガラスに対応でき、大口径や球面との変位量が大きな非球面レンズを製造できるのも特徴です。主に、超高画質を追求するプロ向けのレンズに採用されています。

研削非球面レンズ:製造プロセス
製造プロセス

ダイヤモンドを含む砥石で、肉厚、外観、非球面形状を100nmレベルの精度で削り出した後、非球面形状を1枚ごと精密に測定。測定結果から設計値通りの非球面に仕上げるための研磨プログラムを自動生成し、誤差50nmの精度まで測定と研磨を繰り返します。

プラスチックモールド(PMo)非球面レンズ

非球面金型に樹脂を充填し非球面を成形する方式で、量産性に優れています。そのため、EF-S10-18mm F4.5-5.6 IS STM(2014年発売)など、低価格が求められるエントリークラスの高画質化に大きく貢献しています。

プラスチックモールド(PMo)非球面レンズ:製造プロセス
製造プロセス

非球面レンズの形状を反転した高精度な金型に樹脂を充填し成形。離型後、コーティングを施して仕上げます。

ガラスモールド(GMo)非球面レンズ

高精度非球面レンズの金型

高精度非球面レンズの金型

高温で軟化させたガラスをプレス成形する方式です。ガラスの特性であるキズや熱への耐性の高さを備えながら、量産にも適しています。
キヤノンでは、最初のガラスモールド非球面レンズの製造から現在に至るまで、プレス装置も自社で開発・製造しており、設計値に応える精度を出すことが可能となっています。

ガラスモールド(GMo)非球面レンズ:製造プロセス

製造プロセス
ガラスを高温で軟化させ、高精度非球面金型でプレスします。冷却後、各種検査を行い、仕上げます。ガラスの種類によって成分が異なるため、プレスする温度、時間、荷重はさまざまです。

レプリカ非球面レンズ

非球面形状金型と紫外線硬化樹脂を使用し、球面ガラス上に非球面を形成する方式です。ベースとなる球面レンズのガラス素材や大きさなどへの制約は低く、設計自由度が高いことが特徴です。

レプリカ非球面レンズ:製造プロセス
製造プロセス

球面ガラスレンズ上に紫外線硬化樹脂を滴下し、非球面形状金型に入れた後に紫外線を照射。紫外線硬化樹脂を硬化させ非球面を形成します。

非球面レンズ搭載レンズ(2021年5月現在)

高い収差補正能力を持つ非球面レンズは、高画質化、小型化、高仕様化などさまざまな用途で使用されます。キヤノンでは、プロ用の超高画質モデルからエントリーモデルまで、これまでに非球面レンズを搭載したレンズはEFレンズ、RFレンズだけでも100機種を超えています。

RF28-70mm F2 L USM(2018年発売)

RF28-70mm F2 L USM(2018年発売)

非球面レンズを搭載するRFレンズ(2021年5月現在)