佳能庆祝首款采用非球面镜片的单镜头相机交换式镜头上市50周年

佳能于1971年推出了首款采用非球面镜片的单镜头相机交换式镜头FD55mm F1.2AL,2021年迎来其上市50周年。非球面镜片不仅可应用于单镜头相机的交换式镜头,还可应用于广播电视镜头、半导体曝光设备、天文望远镜等广泛的光学产品中。

非球面镜片

佳能第一次使用非球面镜片的FD55mm F1.2AL

非球面镜片拥有理想的曲率,用于将光线聚集在一点上。从面向专业用户和摄影爱好者的F2.8 L IS USM变焦镜头系列,包括RF15-35mm F2.8 L IS USM(2019年9月发售)、RF24-70mm F2.8 L IS USM(2019年9月发售)、RF70-200mm F2.8 L IS USM(2019年11月发售)到在整个变焦范围内实现F2大光圈的RF28-70mm F2 L USM(2018年12月发售),佳能的非球面镜片能够减少多种像差,从而实现了高画质。

F2.8 L IS USM变焦镜头系列

球面镜片的固有特性导致无法将平行光线完全地汇聚到一点,由于镜片的表面是球形的,会导致图像模糊,这被称为是“球面像差”,并且还可能产生其他光学像差。为了校正这种球面像差,必须以特定的排列使用多片球面镜片。然而,根据其特性,只使用一片非球面镜片就可以获得相同程度的校正效果。佳能从1963年开始着手致力于复杂镜片的研发项目,开发非球面镜片这种“梦想镜片”,可将所有入射光线集中在一个点上,获得没有模糊的清晰图像。

为了大规模生产非球面镜片,佳能需要精度小于0.1微米(1)的加工技术以及可以测量到0.01微米以内的高精度测量装置。通过反复研究设计和加工方法,佳能最终成功地开发出批量生产非球面镜片所需的技术。1971年3月,佳能第一款采用非球面镜片的单镜头相机交换式镜头--FD55mm F1.2AL问世了。

随后在1973年,随着ALG-Z纳米(2)级超高精度非球面镜片研磨机的开发成功,佳能进一步提高了其镜片加工技术的精度。下一个飞跃发生在1985年,那时佳能成功地将大直径玻璃模铸(GMo)非球面镜片元件应用到New FD35-105mm F3.5-4.5(1985年12月发售)中,这是世界上第一款采用GMo非球面镜片的单镜头相机交换式镜头。从那时起,用于高精度计测和加工非球面镜片技术和装置在佳能实现高性能镜头的努力中一直起着至关重要的作用。

展望未来,佳能将继续完善其光学技术,以创造出能够满足客户广泛需求的产品和技术。

(1):1微米等于百万分之一米。

(2):1纳米等于十亿分之一米。

<非球面镜片的加工技术>

佳能拥有四种不同的非球面镜片加工技术。研磨非球面镜片,用装有金刚石的工具研磨和抛光玻璃镜片;玻璃模铸非球面镜片,用非球面模具直接压制玻璃镜片;利用非球面模具在球形玻璃表面形成非球面树脂的复合非球面镜片;以及在非球面模具内填充树脂的树脂成型非球面镜片。根据镜头的特性和定位,佳能利用这四种非球面镜片技术来制造满足用户广泛需求的镜头。

此外,佳能还自主研发了镜片加工机,实现了高精度非球面镜片的制造。例如,非球面镜片的设计规格和成品尺寸之间只允许有0.1微米的误差,如果用东京巨蛋的屋顶(直径:约244米)比作镜片表面尺寸,则误差范围小于或等于0.5毫米,相当于一般自动铅笔笔芯的直径。

四种加工技术中精度最高的非球面镜片研磨技术,不仅应用于单镜头相机交换式镜头的生产,也应用于科学领域。例如,日本国家天文台的斯巴鲁望远镜采用了非球面镜片,该镜片是使用佳能制造的高精度计测和加工设备完成的,用于对精度要求很高的主焦点相机的光学校正系统。

以下是四种非球面镜片的加工示意图:

研磨非球面镜片

玻璃模铸非球面镜片

复合非球面镜片

树脂成型非球面镜片

<非球面镜片的效果>

如果单镜头相机交换式镜头仅由球面镜片构成时,例如,大光圈

镜头和广角镜头,球面像差和失真会大幅增加。当入射光线与光轴平行时会产生球面像差,光线靠近光轴所形成的图像与光线远离光轴所形成的图像不重合,导致图像模糊。另外,当被摄体与通过镜头形成的图像不相同时,这表明产生了失真,直线会变得歪曲。

非球面镜片解决了球面镜片产生的问题,并可帮助生成理想的图像。与球面镜片形状不同的非球面镜片通过弯曲的表面补偿各种像差。例如,在具有多个光源的场景(如城市夜景)中,可以减少球面像差引起的模糊。

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