非球面攝影鏡頭的主要特性及使用現狀

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非球面透鏡與球面透鏡的主要區別是設計自由度較大。球面由一個參數,即球面半徑決定其形狀,非球面理論上可以有多個參數決定其面形,并能從中心到邊緣連續發生變化。這樣一來,僅僅是球面透鏡組成的鏡頭不能完全校正的象差,使用非球面透鏡可以得到進一步改善,成象質量大大提高了。從另一角度來看,使用非球面透鏡,往往一個透鏡的作用等同數個球面透鏡的組合,于是球面透鏡組合無法獲得的新型鏡頭可能產生,或者是鏡頭構成數量大幅度減少。

非球面鏡頭發展概況

 

其實,在17世紀鏡頭設計師已經知道在鏡頭中使用非球面有特殊的效果。第一次在常用照相機鏡頭中使用非球面是1966年出現在徠卡M相機上的MOKTILX50mmF112鏡頭,表明非球面透鏡對大孔徑照相鏡頭高性能化有明顯效果。70年代前半期,非球面鏡頭制造成本較高,應用主要停留在單鏡頭反光照相機高級鏡頭上,例如部分大孔徑和超廣角鏡頭上。

 

最早能大批量生產投入市場的非球面鏡頭是1977年推出的柯達110照相機使用的25mmF119鏡頭。直到80年代,才涌現出許多普及型非球面鏡頭。這段時期的非球面鏡頭,主要是瞄準“鏡頭的小型化和輕量化”,非球面在鏡頭中僅起輔助作用。真正使非球面透鏡在照相機鏡頭中起主導作用的產品是1992年日本美能達公司推出的APEX90照相機使用的38~90mm非球面鏡頭。該鏡頭由2組4個透鏡構成,其中2個非球面透鏡(圖1)。作為變焦距鏡頭,真正實現了理論上最少構成透鏡數4個,達到小型化和滿足低成本要求。從1992年開始,至今短短數年時間,非球面鏡頭進入全盛時期,從低檔相機的普通鏡頭到單反相機的高級鏡頭,從超廣角到中長焦,從大孔徑到高變倍比,新的高質量和高性能的鏡頭出現幾乎都離不開使用非球面透鏡。例如今年已先后獲日本照相機記者俱樂部特別獎和歐洲TIPA大獎的騰龍AF28~300mm/F315~613LD非球面(IF)微距變焦鏡頭就是使用2件復合非球面透鏡的成果。

 

非球面透鏡的作用

 

從非球面透鏡的使用效果和使用目的區分,非球面透鏡的作用可歸納為:

 

(1)成象質量的提高,例如改善銳度、反差、減小幻影和不必要的反射光斑等。

 

(2)提高鏡頭的光學性能,包括大孔徑化、廣角化和高變倍比等。

 

(3)使鏡頭小型化和輕量化,減少透鏡數量,縮小外形尺寸和減輕重量等。

 

(4)降低鏡頭成本。從經濟角度考慮,為了增強競爭能力,使鏡頭銷售價格盡量下降。

 

顯然,上述4個方面的分類并不是完全獨立的,從歷史的潮流觀察,非球面的作用從以往的高質量和高性能向小型輕量和低成本變遷。廠家的鏡頭設計師往往會注重某方面的要求,設計出不同效果和不同性能的鏡頭,供廣大攝影工作者和愛好者選用。

 

綜上所述,非球面透鏡的作用應從“設計技術”和“制造技術”兩個方面進行評估“設計技術”指鏡頭的設計需滿足,任務的要求,達到預期的效果“制造技術”指設法降低加工,成本,完成高精度低成本的非球面鏡片和非球面鏡頭。

 

實際上,盡管非球面由于自由度比球面只有一個曲率半徑要多得多,從原理上講可以有無限個設計自由度,但是非球面要求表面連續變化,需要有高精度的加工設備和測量儀器以及精確的測量方法,顯然與球面透鏡比較難度大得多,成本肯定隨之增高。1980年左右美國首先開發了超精密非球面加工機械以及車間使用的測量精度達0101mm的激光測長儀,使非球面的加工和應用獲得新的飛躍。當時日本的公司為了開發非球面透鏡加工,購入非球面加工機械,測量儀器以及建立純凈工作環境(車間),約需投資數億日元,折合人民幣為數千萬元。這確實是一筆不小的投資。

 

另外非球面鏡頭,透鏡之間同軸度及相對位置等要求比球面透鏡鏡頭嚴格,對鏡筒加工,透鏡相對位置移動提出更高要求。這幾年非球面鏡頭大量涌現,其中重要原因就是制造技術成熟和制造成本大幅度降低的結果。

 

非球面透鏡的分類

 

按其加工成型方法分類,可以有以下4種成型方法。

 

(1)玻璃磨削法

 

也稱為創成法。即是光學玻璃直接研磨拋光加工方法,是一種一個面是非球面的透鏡加工方法,相對成本較高,在高性能大孔徑及廣角鏡頭中使用較多。

 

(2)玻璃模壓法

 

軟化狀態玻璃在含有非球面形狀的金屬模中成型的制造方法。可以認為,這是類似樹脂模壓能大批量低成本生產和玻璃研磨能獲得高精度表面相結合的加工方法,是一個頗有發展前途的方法。從小型照相機到普通單反照相機的鏡頭都有使用。

 

(3)樹脂模壓法

 

也稱為光學塑料射出成型法。這種方法適宜大批量生產,成本較低。在小型照相機中使用較多,受樹脂光學性能等的限制,在單反相機鏡頭中極少使用,目前僅有佳能EF35mm~80mmF4~516U鏡頭最后一個透鏡使用模壓樹脂透鏡。

 

(4)復合型非球面透鏡成型法

 

使用含有非球面的金屬模,把非球面樹脂成型貼合在球面玻璃透鏡上,把玻璃透鏡的環境(冷熱)穩定性和樹脂模壓的易批量生產優點結合在一起。

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