非球面透镜与球面透镜的主要区别是设计自由度较大。球面由一个参数，即球面半径决定其形状，非球面理论上可以有多个参数决定其面形，并能从中心到边缘连续发生变化。这样一来，仅仅是球面透镜组成的镜头不能完全校正的象差,使用非球面透镜可以得到进一步改善,成象质量大大提高了。从另一角度来看,使用非球面透镜，往往一个透镜的作用等同数个球面透镜的组合，于是球面透镜组合无法获得的新型镜头可能产生,或者是镜头构成数量大幅度减少。
非球面镜头发展概况
其实,在17世纪镜头设计师已经知道在镜头中使用非球面有特殊的效果。第一次在常用照相机镜头中使用非球面是年出现在徕卡M相机上的MOKTILX50mmF镜头,表明非球面透镜对大孔径照相镜头高性能化有明显效果。70年代前半期,非球面镜头制造成本较高,应用主要停留在单镜头反光照相机高级镜头上,例如部分大孔径和超广角镜头上。
最早能大批量生产投入市场的非球面镜头是年推出的柯达照相机使用的25mmF镜头。直到80年代,才涌现出许多普及型非球面镜头。这段时期的非球面镜头,主要是瞄准“镜头的小型化和轻量化”,非球面在镜头中仅起辅助作用。真正使非球面透镜在照相机镜头中起主导作用的产品是年日本美能达公司推出的APEX90照相机使用的38～90mm非球面镜头。该镜头由2组4个透镜构成,其中2个非球面透镜(图1)。作为变焦距镜头,真正实现了理论上最少构成透镜数4个,达到小型化和满足低成本要求。从年开始,至今短短数年时间,非球面镜头进入全盛时期,从低档相机的普通镜头到单反相机的高级镜头,从超广角到中长焦,从大孔径到高变倍比,新的高质量和高性能的镜头出现几乎都离不开使用非球面透镜。例如今年已先后获日本照相机记者俱乐部特别奖和欧洲TIPA大奖的腾龙AF28～mm/F～LD非球面(IF)微距变焦镜头就是使用2件复合非球面透镜的成果。
非球面透镜的作用
从非球面透镜的使用效果和使用目的区分,非球面透镜的作用可归纳为:
(1)成象质量的提高,例如改善锐度、反差、减小幻影和不必要的反射光斑等。
(2)提高镜头的光学性能,包括大孔径化、广角化和高变倍比等。
(3)使镜头小型化和轻量化,减少透镜数量,缩小外形尺寸和减轻重量等。
(4)降低镜头成本。从经济角度考虑,为了增强竞争能力,使镜头销售价格尽量下降。
显然,上述4个方面的分类并不是完全独立的,从历史的潮流观察,非球面的作用从以往的高质量和高性能向小型轻量和低成本变迁。厂家的镜头设计师往往会注重某方面的要求,设计出不同效果和不同性能的镜头,供广大摄影工作者和爱好者选用。
综上所述,非球面透镜的作用应从“设计技术”和“制造技术”两个方面进行评估“设计技术”指镜头的设计需满足,任务的要求,达到预期的效果“制造技术”指设法降低加工,成本,完成高精度低成本的非球面镜片和非球面镜头。
实际上,尽管非球面由于自由度比球面只有一个曲率半径要多得多,从原理上讲可以有无限个设计自由度,但是非球面要求表面连续变化,需要有高精度的加工设备和测量仪器以及精确的测量方法,显然与球面透镜比较难度大得多,成本肯定随之增高。年左右美国首先开发了超精密非球面加工机械以及车间使用的测量精度达mm的激光测长仪,使非球面的加工和应用获得新的飞跃。当时日本的公司为了开发非球面透镜加工,购入非球面加工机械,测量仪器以及建立纯净工作环境(车间),约需投资数亿日元,折合人民币为数千万元。这确实是一笔不小的投资。
另外非球面镜头,透镜之间同轴度及相对位置等要求比球面透镜镜头严格,对镜筒加工,透镜相对位置移动提出更高要求。这几年非球面镜头大量涌现,其中重要原因就是制造技术成熟和制造成本大幅度降低的结果。
非球面透镜的分类
按其加工成型方法分类,可以有以下4种成型方法。
(1)玻璃磨削法
也称为创成法。即是光学玻璃直接研磨抛光加工方法,是一种一个面是非球面的透镜加工方法,相对成本较高,在高性能大孔径及广角镜头中使用较多。
(2)玻璃模压法
软化状态玻璃在含有非球面形状的金属模中成型的制造方法。可以认为,这是类似树脂模压能大批量低成本生产和玻璃研磨能获得高精度表面相结合的加工方法,是一个颇有发展前途的方法。从小型照相机到普通单反照相机的镜头都有使用。
(3)树脂模压法
也称为光学塑料射出成型法。这种方法适宜大批量生产,成本较低。在小型照相机中使用较多,受树脂光学性能等的限制,在单反相机镜头中极少使用,目前仅有佳能EF35mm～80mmF4～U镜头最后一个透镜使用模压树脂透镜。
(4)复合型非球面透镜成型法
使用含有非球面的金属模,把非球面树脂成型贴合在球面玻璃透镜上,把玻璃透镜的环境(冷热)稳定性和树脂模压的易批量生产优点结合在一起。
表1列出4种不同加工方法成型的非球面透镜的主要优缺点和目前使用现状,供读者参考。
非球面摄影镜头使用效果比较
(1)美能达APEX90相机镜头
使用二片非球面透镜,透镜数从7片减少到组成变焦镜头最少量4片,反射损失从%降为%,逆光摄影基本消除幻影。见图1。
(2)美能达AF35mmFG镜头(非球面)与AF35mmF2(球面)镜头比较。
AF35mmFG是一个大孔径镜头使用非镜面透镜的例子,从拍摄照片比较可见光晕现象有明显改善。
(3)年新推出适马14mmFEX非球面HSM超广角镜头与年开始生产的14mmF镜头拍摄效果比较。非球面有利校正镜头球差和彗星,有利消除幻影。
(4)美能达AF17～35mmFG广角度变焦镜头,使用非球面后,畸变-%减小到-%,(同旧款AF20～非球面摄影镜头使用效果比较35mmF～比F～比)画面下方线条桶形畸变明显改善。
(5)使用非球面透镜还有利于提高画面照度均匀性。
非球面摄影镜头的现状和今后发展趋向表2列出年4月为止使用非球面透镜的35mm单镜头反光照相机66个可换镜头的主要性能、规格和参考价格，供广大摄影工作者和摄影爱好者选购使用时参考。
(1)各厂的35mm单反相机非球面镜头拥有数量为：佳能15种,尼康10种,宾得7种,美能达6种，适马12种，腾龙9种，图丽4种，京磁2种，确善能1种。
(2)复合非球面镜头41种，占总量的64%，说明复合非球面镜头已占绝对优势,今后还会继续增多。
(3)玻璃磨削非球面镜头10种,占总量的16%,其中佳能8种,尼康2种,以定焦、短焦、大孔径镜头为主,都属高档镜头,价格在万～万日元之间,(批发市场价约为人民币1～2万元)。
(4)树脂(光学塑料)模压非球面镜头,由于易受温度变化等影响,在上述单反相机可换镜头中仅在佳能EOSEF35mm～80mmF4～USM上使用,该镜头属普及型镜头,市场价低于元。
从目前趋向分析,非球面透镜使用已普及到各种摄影镜头上,连中长焦距的望远变焦镜头也有使用非球面透镜,满足小型化和轻量化要求。例如适马～mmF2APO和～mmF～APO镜头。
小型照相机的变焦镜头已广泛使用非球面透镜,目前很难在小型照相机上见到不使用非球面透镜的新型变焦镜头,今后发展方向是一个镜头中非球面透镜的数量会超过球面透镜数量。
在数码相机方面,当画面像素竞争告一段落后,镜头也会转向小型、轻量方向发展。数码相机与传统相机的区别是CCD尺寸较小,直径6mm以下镜头已成为主流,因此使用精度高、成本低的玻璃模压非球面透镜是有利的,今后也许会大量采用玻璃模压非球面透镜。
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