早在二十世紀六十年代，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)團隊還獨立研發(fā)出“極坐標轉換測量系統”以測量超精度非球面鏡的鏡片。在這項技術(shù)中，被測量的鏡片置于一個(gè)轉動(dòng)的架子上并圍繞鏡片曲度中心旋轉，同時(shí)一個(gè)干涉測量?jì)x開(kāi)始計算被測鏡片表面與參考球面鏡表面的區別，測量結果被實(shí)時(shí)錄入電腦中，處理出的數據反饋回測量部門(mén)?！皹O坐標轉換測量”技術(shù)的實(shí)現使測量精度達到了0.02微米，是光的波長(cháng)的1/32。而在隨后多年的非球面鏡片發(fā)展中，這項科技也成為佳能不可或缺的核心關(guān)鍵。
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(kāi)發(fā)，在85年時(shí)制造出了可以量產(chǎn)應用的設備系統。這種玻璃塑模非球面鏡直接由一部壓模機在高精度非球面金屬模具的控制下制造成型，既達到了可更換單反相機鏡頭的要求，又可以進(jìn)行相對低成本的大規模生產(chǎn)。到了90年代，佳能研發(fā)出第四類(lèi)非球面鏡生產(chǎn)技術(shù)，這項科技實(shí)現了玻璃非球面鏡表面上的鍍膜。
Since1969——螢石鏡片 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(lèi)似水晶的原子結構，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)打破傳統玻璃光學(xué)元件中存在的色差局限，并表現出完美的視覺(jué)效果是相對容易的。另外在紅光至綠光的光譜范圍內，螢石的色散特性與玻璃的色散特性幾乎一致，但是在綠光到藍光的范圍內則大大不同。正是這些螢石鏡片的應用，使得“大白”等超長(cháng)焦鏡頭的畫(huà)質(zhì)比起傳統長(cháng)焦鏡頭的畫(huà)質(zhì)有了極大的提升。 另外，前凸后凹結構鏡片的光線(xiàn)分布使全圖像區域清晰程度大幅提高，并且讓鏡頭物理長(cháng)度小于鏡頭焦距成為可能。在用此類(lèi)前后結構的透鏡組時(shí)，凸透鏡的折射率能夠達到極低的水平，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(huà)質(zhì)都無(wú)比銳利。 DO鏡系統靠一塊球面鏡片和一塊衍射結構鏡片組成，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、位置符合標準，整個(gè)制作過(guò)程的測量精確程度甚至達到微米之下。一些新技術(shù)為此而生，例如3D超高精準微構建技術(shù)，同時(shí)佳能公司的一些成熟科技也被用上，例如復合非球面鏡工藝和高精準定位技術(shù)等。 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(xiàn)，同時(shí)仍然能夠使幾乎所有的入射光都轉變成對影像有益的影像表現光。3層DO結構首次出現在EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM鏡頭中，它有效地提升了光線(xiàn)折射率，縮短了鏡頭物理長(cháng)度，對色散和非球面鏡特性的弊病實(shí)現完美的補償。
佳能的“白筒紅圈”L系列超長(cháng)焦鏡頭憑借極其優(yōu)良的表現力和銳度一直為全球的專(zhuān)業(yè)攝影師所稱(chēng)贊。其中高畫(huà)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(cháng)焦鏡頭，使用玻璃鏡片會(huì )碰到成像質(zhì)量上限的局限，殘留色差對長(cháng)焦鏡頭畫(huà)面銳度可能產(chǎn)生極大的影響。在相機鏡頭中，光線(xiàn)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)鏡片分解出的紅藍光束能夠準確地匯聚在一個(gè)點(diǎn)上，則稱(chēng)此鏡片為“無(wú)色散”鏡片。不過(guò)即使紅藍光束已經(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)。這種即使在設計過(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光譜。這個(gè)情況的產(chǎn)生是因為不同的玻璃光學(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。因此當使用玻璃光學(xué)元件時(shí)，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。
佳能EF 300mm F2.8鏡片結構示意圖 當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光匯集于一點(diǎn)的設計規則組合成一組透鏡，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光點(diǎn)上，這就令二級光譜減小到了一個(gè)微乎其微的程度。
普通光學(xué)玻璃與螢石的色散對比 對于普通玻璃元件來(lái)說(shuō)，減短鏡頭長(cháng)度后可能會(huì )導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(cháng)度能使螢石鏡片凹凸結構鏡頭變得更加緊湊，低折射率材料同時(shí)改善了佩茲伐和數，令鏡頭空間縮短的同時(shí)仍然保持成像的高質(zhì)量。螢石與普通玻璃的光學(xué)特性對比 螢石材料優(yōu)秀的光學(xué)特性早在19世紀就被發(fā)現，但天然螢石只以非常細微的形態(tài)存在于自然當中，其大小只合適于制作顯微鏡的鏡片。雖說(shuō)鏡頭設計師們長(cháng)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晶并在二十世紀六十年代末最終建立起可操作的螢石量產(chǎn)系統。佳能第一部使用人造水晶結構螢石的鏡頭是1969年生產(chǎn)的FL-F 300mm f/5.6，如今，唯一在數碼單反相機可更換型鏡頭中使用螢石的只有EF系列。 UD超低色散鏡片 螢石鏡片在超長(cháng)焦距鏡頭中的表現令人非常滿(mǎn)意，但是將螢石應用于其他非長(cháng)焦鏡頭卻也有不足——人工生產(chǎn)螢石的成本非常昂貴。為此，設計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，這一目標終于在70年代由超低色散鏡片達到。這種鏡片的折射和色散性能不及螢石鏡片，但是遠比普通玻璃鏡片優(yōu)秀。此外，UD鏡也展示出絕少的邊緣色散性能，相對來(lái)說(shuō)，優(yōu)良的UD鏡片在經(jīng)過(guò)適當搭配組合后，其成像效果已經(jīng)可達到非常接近螢石鏡片的程度（兩片UD鏡片組合相當于一片螢石鏡片元件）。 比螢石更強的鏡片——DO（多層衍射光學(xué)元件） DO鏡片的出現基于衍射現象研究的進(jìn)展（關(guān)于衍射的概念可見(jiàn)本文最后的附注）。這種元件形狀不對稱(chēng)，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)鏡頭中是頗為費勁的工作。為此佳能開(kāi)發(fā)出多層衍射光學(xué)鏡片，獨一無(wú)二的結構令鏡頭可以更小、更短、色差更細微。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。DO變焦鏡頭的體積大幅減小 單片DO鏡 由于振幅型衍射光柵結構不適合用于照相機的光學(xué)系統，因此只能應用另一種外形酷似“斧頭刃”的相位型衍射光柵。這種光柵并不擋住光線(xiàn)，而是依靠像“菲涅爾透鏡”那樣的多個(gè)同心圓環(huán)結構制造出衍射波。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。DO結構示意圖 波長(cháng)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(huà)說(shuō)就是波長(cháng)大的光束經(jīng)過(guò)光柵后會(huì )距離光柵較近，而波長(cháng)小的光束只能在更遠處形成圖像。同理，由于射入折射鏡的的光線(xiàn)還具備一定的亮度，因此短波長(cháng)的光束可以在距離較近的位置形成圖像，而長(cháng)波長(cháng)光不得不靠后一些。對于色差問(wèn)題，這也就意味著(zhù)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轉過(guò)來(lái)，而如果將這兩個(gè)系統合并則能夠校正互相的色差，就能使色差現象徹底消除。與前文所說(shuō)那種凹凸鏡片結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。DO元件色差修正原理圖
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)應用在讀取CD、DVD的激光頭上，不過(guò)這項科技也不能夠直接轉到攝影鏡頭領(lǐng)域。畢竟激光的波長(cháng)固定，而攝影中接受的光線(xiàn)波長(cháng)豐富。為了讓折射鏡把射入鏡頭的光線(xiàn)全部折射掉，鏡片表面的多層鍍膜結構可以使所有人眼可見(jiàn)光轉變成影像表現光。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。由于鏡頭內光線(xiàn)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)光都轉變成了影像表現光，從而提高了成像的質(zhì)量。單層衍射鏡與DO鏡的透光性能差異三層DO鏡 原理上，DO系統具備縮小變焦鏡頭物理長(cháng)度的潛力。不過(guò)事實(shí)上，已經(jīng)出現在EF 400mm f/4 DO IS USM定焦鏡頭上的雙DO鏡結構設計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(xiàn)入射角會(huì )隨著(zhù)焦距調整而大幅改變。從已經(jīng)設計完成的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(xiàn)，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鏡結構按照合適的搭配順序組裝在光軸上，可以補償焦距調整帶來(lái)的光照改變。 相比用傳統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(cháng)度上縮短了30%，同時(shí)其修正了色差、球差之后的成像質(zhì)量也完全達到了佳能最優(yōu)秀的L系列鏡頭水平。DO鏡頭小型化原理圖 關(guān)于衍射： 衍射是光波經(jīng)過(guò)物體邊緣或細小孔徑后發(fā)生的傳播方向彎曲現象。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。衍射眩光是鏡頭內部經(jīng)常出現的干擾源，當光進(jìn)入鏡頭，光圈葉片后方就會(huì )出現衍射而影響成像質(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置兩個(gè)緊緊挨著(zhù)的狹縫，這樣就能得到類(lèi)似在小光圈下發(fā)生的眩光效果。衍射示意圖 具體來(lái)說(shuō)，當光束穿過(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(xiàn)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(xiàn)的方向稱(chēng)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 )導致衍射方向改變，每個(gè)孔隙自身的寬度以及光源波長(cháng)決定著(zhù)衍射現象的程度（即衍射角度）。衍射波產(chǎn)生的原理
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