攝影專用亞克力鏡片

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1、攝影專用亞克力鏡片

攝影專用亞克力鏡片

衍射的概念大家應(yīng)該不陌生，對大多數(shù)采用圓形光闌的攝影鏡頭來說，一個點光源所形成的的理想夫瑯禾費衍射就是一個明暗相間的同心環(huán)，這個衍射光斑就是艾里斑。在廣義標(biāo)準(zhǔn)艾里斑的條件下，中心亮部，也就是0級明紋占總能量約84%，也就是0級衍射光與總能量之比為0.84：1，而這個比值也稱為0級衍射效率為84%（其實在這里用“衍射效率”并不規(guī)范，但作示例沒什么問題），借此也就引入了衍射光學(xué)的概念。

從衍射的基本概念不難看出，衍射限制了傳統(tǒng)波動光學(xué)的分辨率極限，但從衍射光學(xué)角度來看，它可以作為波前復(fù)振幅調(diào)制的手段，應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，讓衍射光集中到設(shè)計所指定的衍射級次上，有著連續(xù)光學(xué)元件所沒有的優(yōu)勢。

那么，什么是衍射光學(xué)元件？簡單來說就是對傳統(tǒng)球面折射元件以相位壓縮的方式，演變?yōu)楸砻孢B續(xù)相位分布的臺階狀浮雕結(jié)構(gòu)，從而將固定的球面波轉(zhuǎn)換為相對可控的波前復(fù)振幅，實現(xiàn)設(shè)計需要的場強分布：

而最重要的衍射效率則與“臺階”級數(shù)，也即位相階數(shù)正相關(guān)，其值L=2^N，那么衍射效率η就是：

不難算出，當(dāng)臺階為2級（深度為設(shè)計波長一半）、4級（深度為π/2）、8級（深度為π/4）、16級（深度為π/8）時，衍射效率分別就是40.5%、81%、94.9%和98.6%：

顯然，階梯切得越細，性能就越出色。當(dāng)然，實際應(yīng)用中還要涉及具體的衍射級數(shù)、基底材料、目標(biāo)波長等要素，但這個傾向性是一定存在的，也就是能夠讓光強集中分布到指定的衍射級次上。

而且衍射元件還有如下優(yōu)點，首先是色散與折射元件完全不同，折射元件的折射率取決于材料本身，而衍射元件則是由臺階狀浮雕微結(jié)構(gòu)對不同波長的分光作用引起，與材料幾乎無關(guān)。具體來說，折射元件的阿貝數(shù)為：

部分分散比：

因為衍射元件色散與材料無關(guān)，所以這兩個式子直接變成了：

可見衍射光學(xué)元件阿貝數(shù)恒為負，所以它對短波長的折射率小于長波長折射率，與折射元件正好相反，因此只需要適當(dāng)調(diào)整各組光焦度就能滿足消色差條件，比起需要大量鏡組補償?shù)恼凵湓碚f要簡單許多，也利于分離式設(shè)計的復(fù)消色差設(shè)計。

并且，結(jié)合先進加工，技術(shù)理論上可以制造出任意相位分布的高精度雕刻，變相實現(xiàn)非球面設(shè)計目的，可以說一個鏡組就能做很多事兒……所以使用衍射折射混合光學(xué)設(shè)計就能在同等甚至更強像差校正的情況下，實現(xiàn)更小型化的設(shè)計，特別適用于在長焦鏡頭里替代螢石等高異常分散性材料并減少系統(tǒng)尺寸，可以說是優(yōu)點很多。

在攝影鏡頭上，最典型的衍射元件應(yīng)用代表就是佳能DO（Diffractive Optical）和尼康PF（Phase Fresnel），可以看到與相同焦段的常規(guī)鏡頭相比，綠圈DO鏡頭明顯要短一截，而且從前端看進去是這個樣子：

但兩者有比較明顯的技術(shù)差別，佳能采用的是多層結(jié)構(gòu)，尼康則是單層結(jié)構(gòu)，先說簡單的尼康PF，顧名思義，它采用的是傳統(tǒng)透鏡+單層純相位型菲涅爾衍射元件的組合，設(shè)計波長光波的相位高度恰等于2π，而根據(jù)標(biāo)量衍射理論和色散常數(shù)公式，當(dāng)光束垂直入射到單層衍射元件時，當(dāng)設(shè)計波長引起的波前相位差為2π的整數(shù)倍時，即可獲得最大衍射效率。但對于單層衍射元件來說，在設(shè)計波段內(nèi)只存在唯一的波長使其波前相位差為2π的整數(shù)倍，遠離設(shè)計波長的衍射光會變成雜散光，以眩光的形式出現(xiàn)在光路中，影響成像效果。

也就是說，應(yīng)用于全可見光波段的尼康PF技術(shù)必然會導(dǎo)致比較明顯的眩光，而且它使用的是機內(nèi)軟件校正的形式，效果馬馬虎虎，可參考下圖。

想要寬光譜衍射效率均保持較高數(shù)值，也就是整個波段內(nèi)各波長相位分布函數(shù)均為2π的整數(shù)倍或只有較小的相位差，僅有材料、設(shè)計波長、和表面微結(jié)構(gòu)界面高度這三個設(shè)計變量的單層衍射元件顯然已無法滿足，這時候就需要采用多層衍射元件組合，以增加更多可調(diào)整參數(shù)來實現(xiàn)更高的設(shè)計自由度，而且多層衍射元件受材料色散影響更小，可以進一步提高衍射效率。兩個緊密接合的衍射元件可視為一體，等效函數(shù)等于各自函數(shù)的乘積，其中最關(guān)鍵的部分就是計算微結(jié)構(gòu)界面高度值。

以雙層衍射元件為例，當(dāng)選擇了兩種材料后通過衍射效率公式可得到一個衍射效率、波長、高度分布的三維圖形，就能直觀取到的2個界面高度的最優(yōu)化值，從而實現(xiàn)整個設(shè)計波段內(nèi)衍射效率均在理想水平之上（約96%），大幅降低雜散光的影響，當(dāng)然，這是垂直入射的計算結(jié)果，當(dāng)光束傾斜入射時效率會降低，通過測試由聚碳酸酯塑料+亞克力為基底制作的雙層衍射元件材料可知，入射角在4.5度以內(nèi)時衍射效率下降到99%，6.7度時掉到95%，再到7.9度時依然有90%，但到9.5度就只剩80%，18度時就快速下降為0了，雖然采用增透膜的形式可以一定幅度緩解，但整體趨勢是不可逆的，因此高能量斜射光束不僅會讓衍射元件形成明顯的眩光，設(shè)計不佳甚至?xí)?dǎo)致明顯的性能問題，所以佳能新一代DO鏡頭會將衍射元件放在更靠后的位置，目的就是讓入射光束盡量垂直。從這個角度也不難理解為什么衍射元件主要在長焦鏡頭上出現(xiàn)，廣角端的設(shè)計復(fù)雜度明顯又會高出幾個等級。

佳能的多層DO元件基本都采用嚙合型設(shè)計，這種設(shè)計所產(chǎn)生的關(guān)于材料折射率、設(shè)計波長、微結(jié)構(gòu)高度方程組，只有在2個基底分別采用高折射高阿貝數(shù)和低折射低阿貝數(shù)材料時才有解。而新一代的無縫雙層結(jié)構(gòu)也就是讓兩個元件完全咬合，這樣做的好處是有效降低界面反射，有利于提高透過率，而另一種三層結(jié)構(gòu)設(shè)計其實并不能讓增加更多波長光波的衍射效率，但利用第三種材料作為兩塊衍射元件的過渡層會讓衍射元件的基底材料選擇更自由，也是一種很聰明的設(shè)計。

顯然，理論上衍射元件是妥妥的黑科技，而且確實相對類似規(guī)格產(chǎn)品的確大幅縮小了體型，但在應(yīng)用端的口碑卻褒貶不一，最大的問題就是設(shè)計成本較高，初代產(chǎn)品即便是70-300mm F4.5-5.6這種“狗頭”規(guī)格也要近萬元，再加上眩光導(dǎo)致特定情況下的反差下降，口碑也并不算特別好，所以二手價格都相當(dāng)?shù)汀６?00mm F4售價近50000元，而這個價格已經(jīng)比很多二手400mm F2.8二代還要高，如果考慮一代428就更便宜了……所以，雖然衍射光學(xué)元件的加入確實讓體型小巧了非常多，但428的名氣顯然更具誘惑力。為什么DO產(chǎn)品線不做大光圈？嚴(yán)格來說衍射光學(xué)元件因為阿貝數(shù)很小，其實是有利于做大F值鏡頭的，但第三代428在改良設(shè)計后的體重已經(jīng)只有2840克且長度大幅縮短，如果做到F2.8，DO鏡片的減負空間其實不算特別大（但理論上還是可以再短一截），關(guān)鍵是價格會在此基礎(chǔ)上再猛上一個臺階，實在是沒有充裕的市場去支撐這樣一個圖騰化的產(chǎn)品，而且還會遭受性能上的質(zhì)疑，所以只能靠440的規(guī)格來打個價格差。

那么，為什么高品質(zhì)的衍射光學(xué)元件這么貴？CNC或模壓塑料基底的成本相對較低，但想實現(xiàn)高性能，這種加工精度顯然不夠，需要使用反應(yīng)離子刻蝕機對光學(xué)玻璃材料表面進行多次掩模刻蝕，才能達到理想的寬光譜高衍射效率，但這樣一來生產(chǎn)成本明顯更高。并且對衍射元件的性能對加工、裝配誤差的敏感度很高，注定了這不會是一個便宜的技術(shù)。

除此之外，衍射光學(xué)元件雖然易于校正色差球差并減小體型，但這些性能并不一定能在量產(chǎn)時完整呈現(xiàn)，它也不能提高整個系統(tǒng)的實際光學(xué)傳遞函數(shù)：

OTFt(s,t)是理論光學(xué)傳遞函數(shù)值，乘以對整個帶寬積分后取均值的衍射效率，就得到實際光學(xué)傳遞函數(shù)OTF(s,t)，假設(shè)整個像面上的各點衍射效率完全一致且均為1，那么經(jīng)過略復(fù)雜的計算，可以得到出入射角為0度，也即垂直入射時OTFt(s,t)=0.997* OTF(s,t)，所以，衍射光學(xué)元件理論上使實際光學(xué)傳遞函數(shù)十分接近理論峰值，但明顯仍受加工裝配精度、入射角度的影響，是一個需要相當(dāng)精密設(shè)計才能達到理想性能的技術(shù)。

再加上攝影鏡頭本來就是一個小產(chǎn)能領(lǐng)域，佳能EF鏡頭從1987年誕生到2018年底，整整31年的總出貨量也才1.4億（其中還包括了相當(dāng)小一部分RF鏡頭），這已經(jīng)是整個行業(yè)的最大數(shù)據(jù)。作為對比，單單2017年這一年華為的智能手機出貨量就超過了1.5億，今年預(yù)計更是會達到2.6億之多，而應(yīng)用于其中的鏡頭模組數(shù)量還要至少乘以2。因此，相機鏡頭技術(shù)的迭代節(jié)奏相對要慢很多很多，更何況衍射光學(xué)元件還是小眾里的小眾。種種跡象都表明它在民用攝影領(lǐng)域越來越被邊緣化，實在可惜，這本來是一個在攝影行業(yè)技術(shù)前景很不錯的領(lǐng)域，如果能在手機鏡頭上找到一定的定位，搞不好還能成為一個提高手機鏡頭性能的新方向，畢竟現(xiàn)在的手機鏡頭像差都有點不忍直視……但現(xiàn)在的手機攝影調(diào)校明顯更重視算法，所以它的前途依然是撲朔迷離。

以上就是關(guān)于攝影專用亞克力鏡片,聊聊攝影鏡頭里的衍射元件的知識，后面我們會繼續(xù)為大家整理關(guān)于攝影專用亞克力鏡片的知識，希望能夠幫助到大家！