非球面攝影鏡頭的主要特性及使用現(xiàn)狀

非球面攝影鏡頭的主要特性及使用現(xiàn)狀 

 

非球面透鏡與球面透鏡的主要區(qū)別是設(shè)計自由度較大。球面由一個參數(shù)，即球面半徑?jīng)Q定其形狀，非球面理論上可以有多個參數(shù)決定其面形，并能從中心到邊緣連續(xù)發(fā)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(jìn)一步改善,成象質(zhì)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(shù)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(chǎn)生,或者是鏡頭構(gòu)成數(shù)量大幅度減少。

成都中宇光電科技發(fā)展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產(chǎn)工廠

非球面鏡頭發(fā)展概況

其實,在17世紀(jì)鏡頭設(shè)計師已經(jīng)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(jī)鏡頭中使用非球面是1966年出現(xiàn)在徠卡M相機(jī)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(yīng)用主要停留在單鏡頭反光照相機(jī)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(chǎn)投入市場的非球面鏡頭是1977年推出的柯達(dá)110照相機(jī)使用的25mmF119鏡頭。直到80年代,才涌現(xiàn)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(zhǔn)“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(jī)鏡頭中起主導(dǎo)作用的產(chǎn)品是1992年日本美能達(dá)公司推出的APEX90照相機(jī)使用的38～90mm非球面鏡頭。該鏡頭由2組4個透鏡構(gòu)成,其中2個非球面透鏡(圖1)。作為變焦距鏡頭,真正實現(xiàn)了理論上最少構(gòu)成透鏡數(shù)4個,達(dá)到小型化和滿足低成本要求。從1992年開始,至今短短數(shù)年時間,非球面鏡頭進(jìn)入全盛時期,從低檔相機(jī)的普通鏡頭到單反相機(jī)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(zhì)量和高性能的鏡頭出現(xiàn)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(jī)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(fù)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(qū)分,非球面透鏡的作用可歸納為:

(1)成象質(zhì)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(xué)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(shù)量,縮小外形尺寸和減輕重量等。

(4)降低鏡頭成本。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,為了增強(qiáng)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(dú)立的,從歷史的潮流觀察,非球面的作用從以往的高質(zhì)量和高性能向小型輕量和低成本變遷。廠家的鏡頭設(shè)計師往往會注重某方面的要求,設(shè)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(yīng)從“設(shè)計技術(shù)”和“制造技術(shù)”兩個方面進(jìn)行評估“設(shè)計技術(shù)”指鏡頭的設(shè)計需滿足,任務(wù)的要求,達(dá)到預(yù)期的效果“制造技術(shù)”指設(shè)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(shè)計自由度,但是非球面要求表面連續(xù)變化,需要有高精度的加工設(shè)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(fā)了超精密非球面加工機(jī)械以及車間使用的測量精度達(dá)0101mm的激光測長儀,使非球面的加工和應(yīng)用獲得新的飛躍。當(dāng)時日本的公司為了開發(fā)非球面透鏡加工,購入非球面加工機(jī)械,測量儀器以及建立純凈工作環(huán)境(車間),約需投資數(shù)億日元,折合人民幣為數(shù)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(yán)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(xiàn),其中重要原因就是制造技術(shù)成熟和制造成本大幅度降低的結(jié)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(chuàng)成法。即是光學(xué)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(tài)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(rèn)為,這是類似樹脂模壓能大批量低成本生產(chǎn)和玻璃研磨能獲得高精度表面相結(jié)合的加工方法,是一個頗有發(fā)展前途的方法。從小型照相機(jī)到普通單反照相機(jī) 的鏡頭都有使用。

(3)樹脂模壓法

也稱為光學(xué)塑料射出成型法。這種方法適宜大批量生產(chǎn),成本較低。在小型照相機(jī)中使用較多,受樹脂光學(xué)性能等的限制,在單反相機(jī)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(fù)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(huán)境(冷熱)穩(wěn)定性和樹脂模壓的易批量生產(chǎn)優(yōu)點結(jié)合在一起。

表1列出4種不同加工方法成型的非球面透鏡的主要優(yōu)缺點和目前使用現(xiàn)狀,供讀者參考。

非球面攝影鏡頭使用效果比較

(1)美能達(dá)APEX90相機(jī)鏡頭

使用二片非球面透鏡,透鏡數(shù)從7片減少到組成變焦鏡頭最少量4片,反射損失從914%降為218%,逆光攝影基本消除幻影。見圖1。

(2)美能達(dá)AF35mmF114G鏡頭(非球面)與AF35mmF2(球面)鏡頭比較。

AF35mmF114G是一個大孔徑鏡頭使用非鏡面透鏡的例子,從拍攝照片比較可見光暈現(xiàn)象有明顯改善。

(3)1999年新推出適馬14mmF218EX非球面HSM超廣角鏡頭與1993年開始生產(chǎn)的14mmF315鏡頭拍攝效果比較。非球面有利校正鏡頭球差和彗星,有利消除幻影。

(4)美能達(dá)AF17～35mmF315G廣角度變焦鏡頭,使用非球面后,畸變-419%減小到-312%,(同舊款A(yù)F20～非球面攝影鏡頭使用效果比較35mmF315～415比F315～415比)畫面下方線條桶形畸變明顯改善。

(5)使用非球面透鏡還有利于提高畫面照度均勻性。

非球面攝影鏡頭的現(xiàn)狀和今后發(fā)展趨向表2列出1999年4月為止使用非球面透鏡的35mm單鏡頭反光照相機(jī)66個可換鏡頭的主要性能、規(guī)格和參考價格，供廣大攝影工作者和攝影愛好者選購使用時參考。

(1)各廠的35mm單反相機(jī)非球面鏡頭擁有數(shù)量為：佳能15種,尼康10種,賓得7種,美能達(dá)6種，適馬12種，騰龍9種，圖麗4種，京磁2種，確善能1種。

(2)復(fù)合非球面鏡頭41種，占總量的64%，說明復(fù)合非球面鏡頭已占絕對優(yōu)勢,今后還會繼續(xù)增多。

(3)玻璃磨削非球面鏡頭10種,占總量的16%,其中佳能8種,尼康2種,以定焦、短焦、大孔徑鏡頭為主,都屬高檔鏡頭,價格在1815萬～3717萬日元之間,(批發(fā)市場價約為人民幣1～2萬元)。

(4)樹脂(光學(xué)塑料)模壓非球面鏡頭,由于易受溫度變化等影響,在上述單反相機(jī)可換鏡頭中僅在佳能EOSEF35mm～80mmF4～516USM上使用,該鏡頭屬普及型鏡頭,市場價低于1000元。

小型照相機(jī)的變焦鏡頭已廣泛使用非球面透鏡,目前很難在小型照相機(jī)上見到不使用非球面透鏡的新型變焦鏡頭,今后發(fā)展方向是一個鏡頭中非球面透鏡的數(shù)量會超過球面透鏡數(shù)量。

在數(shù)碼相機(jī)方面,當(dāng)畫面像素競爭告一段落后,鏡頭也會轉(zhuǎn)向小型、輕量方向發(fā)展。數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的區(qū)別是CCD尺寸較小,直徑6mm以下鏡頭已成為主流,因此使用精度高、成本低的玻璃模壓非球面透鏡是有利的,今后也許會大量采用玻璃模壓非球面透鏡。