(50周年纪念)挑战高精度加工技术,生产非球面镜片

(50周年纪念)挑战高精度加工技术,生产非球面镜片

从面向专业用户的高端型号到面向一般消费者的普及型号,非球面镜片在大多数的可更换镜头中都有使用。很早以前,专业人士就发现非球面镜片可以补偿多种像差,提升画质。但以万分之一毫米这种亚微粒级别控制镜片曲率,技术上特别难以实现。所以非球面镜片曾经被称为“梦幻镜片”。佳能早在1971年就成功将非球面镜片运用到了可更换的镜头产品中。之后不断升级其精度及加工工艺,通过普及非球面镜片,为相机用可更换镜头的高画质进程做出贡献。

非球面镜片(2006年12月制作:3分5秒)※英文版

让成像不实的球面像差

球面镜片的拍摄实例

球面镜片的拍摄实例

非球面镜片的拍摄实例

非球面镜片的拍摄实例

普通的镜片曲面是截取球体表面的局部,也就是我们通常所说的球面镜片。光线入射球面镜片时,相对于通过镜片中央部分的光线,通过镜片周边部分的光线会偏离成像面。也就是说合焦位置偏前。所以,点光源无法还原为点,看起来有些虚。这就是所谓的球面像差。
而非球面镜片是镜片中央到周边部曲率发生变化,通过调整曲率让通过中央及周边的光线都能在一点结像,保持合焦位置的一致。这样就抑制了球面像差。

球面镜片的球面像差

球面镜片的球面像差

通过使用非球面镜片令合焦位置保持一致

通过使用非球面镜片令合焦位置保持一致

让成像变形的歪曲像差

歪曲像差也是非球面镜片能够有效补偿的一种像差。歪曲像差也叫成像变形,一般来说广角镜头是桶形变形,远摄镜头是枕形变形。

让成像变形的歪曲像差

非球面镜片能补偿多种像差。但并非一片非球面镜片就能补偿所有像差。在采用多种镜片的镜头结构中,非球面配置的位置不同,能补偿的像差也会发生变化。比如将非球面镜片放在靠前的位置,补偿桶形变形的效果好。

球面镜片的拍摄实例(桶形变形)

球面镜片的拍摄实例(桶形变形)

非球面镜片的拍摄实例

非球面镜片的拍摄实例

非球面镜片的诞生与进化

非球面镜片能抑制像差的理论很久以前就有了。天文望远镜等设备从20世纪初就开始使用非球面镜片了。但非球面镜片与球面镜片在表面曲率上的差异并非肉眼能够分辨,想要获得符合理论的曲面,需要万分之一毫米这种亚微粒级别的精度及加工工艺。且与望远镜不同,摄影用镜头还需要应对多种焦段及视角,还要能够适应量产需要。所以摄影镜头的非球面镜片制造实在不是件容易的事情。

FD 55mm f/1.2AL(1971年发售)

FD 55mm f/1.2AL(1971年发售)

但佳能为了“给用户提供更高画质的镜头”,于1963年开始了对未知领域的挑战,谋求非球面镜片在摄影镜头上的运用。1969年日本摄影器材展上,佳能展示出了试做镜头FL 55mm f/1.2AL。两年后,配备大口径非球面镜片的单反相机镜头FD 55mm f/1.2AL正式发售。

为了让非球面镜片实现量产,佳能导入了非常精密的非球面研磨机ALG-Z及测试仪ALM。其中运用了当时美国为宇宙计划开发的先进技术。通过激光干涉仪对研磨工具进行控制,实现了小于100纳米的形状加工精度及小于50纳米的表面研磨精度。佳能还形成了自己的研磨理论,并基于此开发出了均等研磨技术,结合此技术非球面镜片产量一个月可以超过1000片。

之后佳能又成功开发并生产出方便量产、性价比高的PMo(树脂成型)非球面镜片,以及使用高精度非球面模具冲压而成的大口径GMo(玻璃模铸)非球面镜片

  • 1982年:佳能Snappy 50发售(佳能首次在相机用镜头上配备了PMo非球面镜片)
  •     1985年:New FD 35-105mm f/3.5-4.5发售(佳能在35mm规格相机用的可更换镜头上首次配备GMo非球面镜片)

1990年,确立了通过照射紫外线在球面镜片的表面固着树脂膜形成非球面的复合非球面技术。
根据不同镜头的目标画质及用途,佳能有针对性地选择使用这4种非球面镜片,不断开发出高品质的镜头。

应对不同需求的佳能非球面镜片

研磨非球面镜片
EF 11-24mm f/4L USM中运用的佳能最大口径研磨非球面镜片(2015年发售时)

EF 11-24mm f/4L USM中运用的佳能最大口径研磨非球面镜片(2015年发售时)

研磨非球面镜片是将一片一片的玻璃逐片进行研磨加工而成的镜片,可以获得非常高的精度。并且这种加工方式可以应对多种镜片样式,大口径镜片或曲率与球面相差很大的非球面镜片都能制造。一般此类镜片会运用在需要很高画质的专业级镜头中。

研磨非球面镜片:制造过程
制造过程

用含钻石的研磨石切割出精度100纳米的非球面形状镜片。之后将逐一对非曲面形状的镜片进行精密测量。根据测量结果,比对镜片的设计数据,自动生成研磨程序,以误差50纳米的精度不断重复测量及研磨的工序。

PMo(树脂成型)非球面镜片

在非球面的模具里填充树脂材料制成非球面镜片就是PMo(树脂成型)非球面镜片,非常易于量产。这种非球面镜片为EF-S 10-18mm f/4.5-5.6 IS STM(2014年发售)等高性价比的普及型号镜头实现高画质做出了贡献。

PMo(树脂成型)非球面镜片:制造过程
制造过程

用非球面镜片进行铸模,得到的模具里填充树脂后生产出非球面镜片。脱模后进行镀膜就加工完成了。

GMo(玻璃模铸)非球面镜片

高精度非球面镜片的模具

高精度非球面镜片的模具

将高温软化状态的玻璃冲压成型的就是GMo(玻璃模铸)非球面镜片。这样既能保持玻璃硬度高及耐热的特性,又适合量产。
佳能从最早生产GMo非球面镜片开始,冲压设备就是自主研发制造,精度上可以满足镜片设计的需要。

GMo(玻璃模铸)非球面镜片:制造过程

制造过程
先将玻璃高温软化,然后用高精度的非球面模具进行冲压。冷却后进行各种检查后完成。根据玻璃的种类,其成分有所不同,所以冲压的温度、时间、冲击力的控制都有所差异。

复合非球面镜片

运用非球面镜片形状的模具和树脂材料,通过紫外线硬化树脂材料形成的镜片就是复合非球面镜片。作为基础的球面镜片不易受材质及大小的制约,设计自由度较高。

复合非球面镜片:制造过程
制造过程

在球面玻璃镜片上滴上树脂材料,然后放入非球面镜片的模具并用紫外线照射使树脂硬化,形成非球面镜片。

使用非球面镜片的镜头(截止至2021年5月)

像差补偿能力很强的非球面镜片,在镜头高画质、小型化及性能提升方面都有贡献。佳能的镜头,从专业的高画质型号到普及型号都有用到非球面镜片。EF镜头和RF镜头中配置非球面镜片的,旧款和现售款加起来超过100款。

RF28-70mm F2 L USM(2018年发售)

RF28-70mm F2 L USM(2018年发售)

配置非球面镜片的RF镜头(截止至2021年5月)

产品名 发售年 非球面镜片数量
RF35mm F1.8 MACRO IS STM 2018年 1
RF50mm F1.2 L USM 2018年 3
RF24-105mm F4 L IS USM 2018年 3
RF28-70mm F2 L USM 2018年 4
RF85mm F1.2 L USM 2019年 1
RF85mm F1.2 L USM DS 2019年 1
RF15-35mm F2.8 L IS USM 2019年 3
RF24-70mm F2.8 L IS USM 2019年 3
RF24-240mm F4-6.3 IS USM 2019年 1
RF70-200mm F2.8 L IS USM 2019年 2
RF24-105mm F4-7.1 IS STM 2020年 1
RF50mm F1.8 STM 2020年 1

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