一切從鏡片說起 佳能頂級單反鏡頭探秘

    比螢石更強的鏡片——DO（多層衍射光學元件）

    DO鏡片的出現(xiàn)基于衍射現(xiàn)象研究的進展（關(guān)于衍射的概念可見本文最后的附注）。這種元件形狀不對稱，不過相比螢石鏡片和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(nèi)人士的注意。以往，由于存在衍射眩光的問題，想要將消除色差元件組合進鏡頭中是頗為費勁的工作。為此佳能開發(fā)出多層衍射光學鏡片，獨一無二的結(jié)構(gòu)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。

    單片DO鏡

    由于振幅型衍射光柵結(jié)構(gòu)不適合用于照相機的光學系統(tǒng)，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，而是依靠像“菲涅爾透鏡”那樣的多個同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)制造出衍射波。改變光柵間距得到的圖像在成像特點上與非球面鏡成像特點如出一轍，因此單層衍射元件就可以用來解決例如球面鏡像差等一系列問題。

    波長大的光束在經(jīng)過衍射光柵后會產(chǎn)生較大的衍射角度，換句話說就是波長大的光束經(jīng)過光柵后會距離光柵較近，而波長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還具備一定的亮度，因此短波長的光束可以在距離較近的位置形成圖像，而長波長光不得不靠后一些。對于色差問題，這也就意味著同時使用一組衍射元件和折射元件可以將色差的位置順序調(diào)轉(zhuǎn)過來，而如果將這兩個系統(tǒng)合并則能夠校正互相的色差，就能使色差現(xiàn)象徹底消除。與前文所說那種凹凸鏡片結(jié)合以校正色差的技術(shù)不同，靠光學衍射消除色差只需要利用凸透鏡即可，這也就為簡化鏡頭內(nèi)各個鏡片組提供了便利，同時還可以有效地校正除了色差之外的其他成像缺陷。

    DO鏡的發(fā)展

    單層衍射光學元件已經(jīng)配合激光技術(shù)應用在讀取CD、DVD的激光頭上，不過這項科技也不能夠直接轉(zhuǎn)到攝影鏡頭領(lǐng)域。畢竟激光的波長固定，而攝影中接受的光線波長豐富。為了讓折射鏡把射入鏡頭的光線全部折射掉，鏡片表面的多層鍍膜結(jié)構(gòu)可以使所有人眼可見光轉(zhuǎn)變成影像表現(xiàn)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(nèi)光線不會產(chǎn)生無意義的衍射光，因此DO鏡把幾乎所有的人眼可見光都轉(zhuǎn)變成了影像表現(xiàn)光，從而提高了成像的質(zhì)量。

    DO鏡系統(tǒng)靠一塊球面鏡片和一塊衍射結(jié)構(gòu)鏡片組成，衍射鏡在一個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，整個制作過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(gòu)建技術(shù)，同時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。

    三層DO鏡

    原理上，DO系統(tǒng)具備縮小變焦鏡頭物理長度的潛力。不過事實上，已經(jīng)出現(xiàn)在EF 400mm f/4 DO IS USM定焦鏡頭上的雙DO鏡結(jié)構(gòu)設(shè)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，光線入射角會隨著焦距調(diào)整而大幅改變。從已經(jīng)設(shè)計完成的DO鏡頭來看，改變光照入射角的同時會產(chǎn)生不必要的衍射光線，因此可能造成眩光而極大影響成像質(zhì)量。不過新研發(fā)的3層DO鏡結(jié)構(gòu)按照合適的搭配順序組裝在光軸上，可以補償焦距調(diào)整帶來的光照改變。

    3層衍射光柵可以保證任何進入鏡頭的光束都不會衍生出雜余光線，同時仍然能夠使幾乎所有的入射光都轉(zhuǎn)變成對影像有益的影像表現(xiàn)光。3層DO結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)在EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM鏡頭中，它有效地提升了光線折射率，縮短了鏡頭物理長度，對色散和非球面鏡特性的弊病實現(xiàn)完美的補償。

    相比用傳統(tǒng)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在長度上縮短了30%，同時其修正了色差、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。

    關(guān)于衍射：

    衍射是光波經(jīng)過物體邊緣或細小孔徑后發(fā)生的傳播方向彎曲現(xiàn)象。這是一種光波傳播的特征，無法被消除，比如在鏡頭光圈過小時就有可能發(fā)生。衍射眩光是鏡頭內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)的干擾源，當光進入鏡頭，光圈葉片后方就會出現(xiàn)衍射而影響成像質(zhì)量。不過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(shè)置兩個緊緊挨著的狹縫，這樣就能得到類似在小光圈下發(fā)生的眩光效果。

    具體來說，當光束穿過兩個并排的孔隙，在每個小孔開始發(fā)生衍射，也就相當于兩個孔隙變成了兩個光源。這樣從外部射入的紛雜光束經(jīng)過兩個小孔后，發(fā)出的光線又趨近同向。從兩點發(fā)出的光有些在經(jīng)過一個周期后會迭加起來，有些則要經(jīng)過兩個或更多周期才會迭加。其中那些經(jīng)歷了一個周期后便匯合的光線的方向稱為衍射方向（Primary Diffraction），兩個并排緊挨的孔隙叫衍射光柵。改變兩個孔隙相互之間的距離會導致衍射方向改變，每個孔隙自身的寬度以及光源波長決定著衍射現(xiàn)象的程度（即衍射角度）。