攝影專(zhuān)用亞克力鏡片

網(wǎng)上有很多關(guān)于攝影專(zhuān)用亞克力鏡片,聊聊攝影鏡頭里的衍射元件的知識，也有很多人為大家解答關(guān)于攝影專(zhuān)用亞克力鏡片的問(wèn)題，今天亞克力鏡片生產(chǎn)廠(chǎng)家(www.legalconfidants.com)為大家整理了關(guān)于這方面的知識，讓我們一起來(lái)看下吧!

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1、攝影專(zhuān)用亞克力鏡片

攝影專(zhuān)用亞克力鏡片

衍射的概念大家應該不陌生，對大多數采用圓形光闌的攝影鏡頭來(lái)說(shuō)，一個(gè)點(diǎn)光源所形成的的理想夫瑯禾費衍射就是一個(gè)明暗相間的同心環(huán)，這個(gè)衍射光斑就是艾里斑。在廣義標準艾里斑的條件下，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(gè)比值也稱(chēng)為0級衍射效率為84%（其實(shí)在這里用“衍射效率”并不規范，但作示例沒(méi)什么問(wèn)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，衍射限制了傳統波動(dòng)光學(xué)的分辨率極限，但從衍射光學(xué)角度來(lái)看，它可以作為波前復振幅調制的手段，應用于光學(xué)系統設計，讓衍射光集中到設計所指定的衍射級次上，有著(zhù)連續光學(xué)元件所沒(méi)有的優(yōu)勢。

那么，什么是衍射光學(xué)元件？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對傳統球面折射元件以相位壓縮的方式，演變?yōu)楸砻孢B續相位分布的臺階狀浮雕結構，從而將固定的球面波轉換為相對可控的波前復振幅，實(shí)現設計需要的場(chǎng)強分布：

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

不難算出，當臺階為2級（深度為設計波長(cháng)一半）、4級（深度為π/2）、8級（深度為π/4）、16級（深度為π/8）時(shí)，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。當然，實(shí)際應用中還要涉及具體的衍射級數、基底材料、目標波長(cháng)等要素，但這個(gè)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(diǎn)，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構對不同波長(cháng)的分光作用引起，與材料幾乎無(wú)關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，折射元件的阿貝數為：

部分分散比：

因為衍射元件色散與材料無(wú)關(guān)，所以這兩個(gè)式子直接變成了：

可見(jiàn)衍射光學(xué)元件阿貝數恒為負，所以它對短波長(cháng)的折射率小于長(cháng)波長(cháng)折射率，與折射元件正好相反，因此只需要適當調整各組光焦度就能滿(mǎn)足消色差條件，比起需要大量鏡組補償的折射元件來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單許多，也利于分離式設計的復消色差設計。

并且，結合先進(jìn)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(shí)現非球面設計目的，可以說(shuō)一個(gè)鏡組就能做很多事兒……所以使用衍射折射混合光學(xué)設計就能在同等甚至更強像差校正的情況下，實(shí)現更小型化的設計，特別適用于在長(cháng)焦鏡頭里替代螢石等高異常分散性材料并減少系統尺寸，可以說(shuō)是優(yōu)點(diǎn)很多。

在攝影鏡頭上，最典型的衍射元件應用代表就是佳能DO（Diffractive Optical）和尼康PF（Phase Fresnel），可以看到與相同焦段的常規鏡頭相比，綠圈DO鏡頭明顯要短一截，而且從前端看進(jìn)去是這個(gè)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構，尼康則是單層結構，先說(shuō)簡(jiǎn)單的尼康PF，顧名思義，它采用的是傳統透鏡+單層純相位型菲涅爾衍射元件的組合，設計波長(cháng)光波的相位高度恰等于2π，而根據標量衍射理論和色散常數公式，當光束垂直入射到單層衍射元件時(shí)，當設計波長(cháng)引起的波前相位差為2π的整數倍時(shí)，即可獲得最大衍射效率。但對于單層衍射元件來(lái)說(shuō)，在設計波段內只存在唯一的波長(cháng)使其波前相位差為2π的整數倍，遠離設計波長(cháng)的衍射光會(huì )變成雜散光，以眩光的形式出現在光路中，影響成像效果。

也就是說(shuō)，應用于全可見(jiàn)光波段的尼康PF技術(shù)必然會(huì )導致比較明顯的眩光，而且它使用的是機內軟件校正的形式，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值，也就是整個(gè)波段內各波長(cháng)相位分布函數均為2π的整數倍或只有較小的相位差，僅有材料、設計波長(cháng)、和表面微結構界面高度這三個(gè)設計變量的單層衍射元件顯然已無(wú)法滿(mǎn)足，這時(shí)候就需要采用多層衍射元件組合，以增加更多可調整參數來(lái)實(shí)現更高的設計自由度，而且多層衍射元件受材料色散影響更小，可以進(jìn)一步提高衍射效率。兩個(gè)緊密接合的衍射元件可視為一體，等效函數等于各自函數的乘積，其中最關(guān)鍵的部分就是計算微結構界面高度值。

以雙層衍射元件為例，當選擇了兩種材料后通過(guò)衍射效率公式可得到一個(gè)衍射效率、波長(cháng)、高度分布的三維圖形，就能直觀(guān)取到的2個(gè)界面高度的最優(yōu)化值，從而實(shí)現整個(gè)設計波段內衍射效率均在理想水平之上（約96%），大幅降低雜散光的影響，當然，這是垂直入射的計算結果，當光束傾斜入射時(shí)效率會(huì )降低，通過(guò)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?xún)葧r(shí)衍射效率下降到99%，6.7度時(shí)掉到95%，再到7.9度時(shí)依然有90%，但到9.5度就只剩80%，18度時(shí)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(huì )讓衍射元件形成明顯的眩光，設計不佳甚至會(huì )導致明顯的性能問(wèn)題，所以佳能新一代DO鏡頭會(huì )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(gè)角度也不難理解為什么衍射元件主要在長(cháng)焦鏡頭上出現，廣角端的設計復雜度明顯又會(huì )高出幾個(gè)等級。

佳能的多層DO元件基本都采用嚙合型設計，這種設計所產(chǎn)生的關(guān)于材料折射率、設計波長(cháng)、微結構高度方程組，只有在2個(gè)基底分別采用高折射高阿貝數和低折射低阿貝數材料時(shí)才有解。而新一代的無(wú)縫雙層結構也就是讓兩個(gè)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(guò)率，而另一種三層結構設計其實(shí)并不能讓增加更多波長(cháng)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(guò)渡層會(huì )讓衍射元件的基底材料選擇更自由，也是一種很聰明的設計。

顯然，理論上衍射元件是妥妥的黑科技，而且確實(shí)相對類(lèi)似規格產(chǎn)品的確大幅縮小了體型，但在應用端的口碑卻褒貶不一，最大的問(wèn)題就是設計成本較高，初代產(chǎn)品即便是70-300mm F4.5-5.6這種“狗頭”規格也要近萬(wàn)元，再加上眩光導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(jià)格都相當低。而二代400mm F4售價(jià)近50000元，而這個(gè)價(jià)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(shí)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(xiàn)不做大光圈？嚴格來(lái)說(shuō)衍射光學(xué)元件因為阿貝數很小，其實(shí)是有利于做大F值鏡頭的，但第三代428在改良設計后的體重已經(jīng)只有2840克且長(cháng)度大幅縮短，如果做到F2.8，DO鏡片的減負空間其實(shí)不算特別大（但理論上還是可以再短一截），關(guān)鍵是價(jià)格會(huì )在此基礎上再猛上一個(gè)臺階，實(shí)在是沒(méi)有充裕的市場(chǎng)去支撐這樣一個(gè)圖騰化的產(chǎn)品，而且還會(huì )遭受性能上的質(zhì)疑，所以只能靠440的規格來(lái)打個(gè)價(jià)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(shí)現高性能，這種加工精度顯然不夠，需要使用反應離子刻蝕機對光學(xué)玻璃材料表面進(jìn)行多次掩?？涛g，才能達到理想的寬光譜高衍射效率，但這樣一來(lái)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(huì )是一個(gè)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(shí)完整呈現，它也不能提高整個(gè)系統的實(shí)際光學(xué)傳遞函數：

OTFt(s,t)是理論光學(xué)傳遞函數值，乘以對整個(gè)帶寬積分后取均值的衍射效率，就得到實(shí)際光學(xué)傳遞函數OTF(s,t)，假設整個(gè)像面上的各點(diǎn)衍射效率完全一致且均為1，那么經(jīng)過(guò)略復雜的計算，可以得到出入射角為0度，也即垂直入射時(shí)OTFt(s,t)=0.997* OTF(s,t)，所以，衍射光學(xué)元件理論上使實(shí)際光學(xué)傳遞函數十分接近理論峰值，但明顯仍受加工裝配精度、入射角度的影響，是一個(gè)需要相當精密設計才能達到理想性能的技術(shù)。

再加上攝影鏡頭本來(lái)就是一個(gè)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（其中還包括了相當小一部分RF鏡頭），這已經(jīng)是整個(gè)行業(yè)的最大數據。作為對比，單單2017年這一年華為的智能手機出貨量就超過(guò)了1.5億，今年預計更是會(huì )達到2.6億之多，而應用于其中的鏡頭模組數量還要至少乘以2。因此，相機鏡頭技術(shù)的迭代節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(lái)越被邊緣化，實(shí)在可惜，這本來(lái)是一個(gè)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(gè)提高手機鏡頭性能的新方向，畢竟現在的手機鏡頭像差都有點(diǎn)不忍直視……但現在的手機攝影調校明顯更重視算法，所以它的前途依然是撲朔迷離。

以上就是關(guān)于攝影專(zhuān)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(huì )繼續為大家整理關(guān)于攝影專(zhuān)用亞克力鏡片的知識，希望能夠幫助到大家！