萤石镜片：超越普通光学玻璃极限的矫正能力

一种支持佳能镜头图像质量的关键材料是萤石，它是氟化钙的结晶形式。长期以来，人们都知道将萤石镜片与玻璃镜片结合使用可以将色差降低到极低水平。然而，天然萤石的尺寸很小，仅适用于小型光学设备，例如显微镜物镜。佳能在追求成像能力进步的过程中，热衷于在摄影镜头中使用萤石，着手开发自己的技术，使用萤石矿石作为原材料形成大而纯净的人工萤石晶体。1969 年 5 月，世界上第一款采用萤石透镜元件的消费级长焦镜头 FL-F300mm f/5.6 发布。

萤石镜片如何校正色差

您可能已经注意到，拍摄对象的轮廓以类似彩色条纹的方式染色。这是色差，它也可能以整个图像模糊的形式出现。由于这会阻止被摄对象准确呈现，因此需要进行校正，以便图像质量清晰、明亮且忠实于场景。

树枝的边缘出现紫色的边纹，这是一种色差

色差之所以发生，是因为当光线穿过玻璃表面时，其中的不同颜色波(红色、绿色、蓝色等)由于波长不同而以不同的角度折射，每种颜色汇聚在不同的焦平面上。这种像差通常通过使用凹透镜和凸透镜组合来校正，它们将光线向彼此相反的方向折射。

使用凹凸玻璃透镜校正色差

然而，不可能通过使用普通玻璃校正所有波长的色差。发生在某些波长(如红色)上的色差称为残余色差。由于折射率因光学玻璃类型而异，因此根据光学玻璃的组合和特性，可以减轻的残余色差量有限。

这就是萤石派上用场的地方。由于萤石与传统光学玻璃是根本不同的材料，因此可以与玻璃结合使用以更有效地校正色差。它对长焦镜头特别有效，长焦距会加剧色差。

使用凸形萤石透镜和凹形玻璃透镜的色差校正

佳能的萤石镜片元件以天然萤石为原材料，赋予镜头玻璃镜片无法实现的低折射率和低色散特性。萤石镜片在非凡的部分色散趋势上也独树一帜：红光到绿光的波长与玻璃一样分散，但绿光到蓝光的波长比玻璃更分散。因此，使用凸透镜萤石镜片元件与高色散玻璃凹透镜元件一起可以消除残余色差，从而产生清晰、锐利、高质量的图像。

折射和色散：“折射”是光在穿过玻璃等材料表面时改变方向的现象。方向变化的程度称为“折射率”。作为折射 折射率根据光的颜色成分(波长)而变化，每种颜色在不同的方向上弯曲。这被称为色散。在光学玻璃上，色散以固定的比例发生，而不管 然而，在萤石上，不同波长的色散以不同的比例发生，被称为“异常部分色散”。

萤石镜片的出现及其如何提高长焦镜头的图像质量

萤石镜头超越了传统限制，将色差降低到极低的水平。这些镜头的起源是始于 1966 年 8 月的佳能 F 项目。佳能的镜头开发人员坚信，要创造出性能优于现有镜头的镜头，首先有必要创造一种新材料，正是这种信念驱使他们确立了在相机镜头中使用人工萤石晶体的生产技术。

左边的石头是天然的萤石晶体。它们是绿色和紫色，由于晶体内的杂质。中间是佳能生产的人造萤石晶锭。加热后，自然 萤石发出梦幻般的光芒，类似于萤火虫，据说这就是它的日本名字hotaru ishi的原因，字面意思是“萤火虫石”。就像萤火虫需要干净的水才能生存一样， 纯净的萤石可以“发光”成摄影镜头。

生产人造萤石晶体的挑战在于结晶。术语“玻璃”最初用来描述材料的状态。它是非晶态的，由以随机位置固定的原子组成——简单熔化玻璃即可将其加工成不同形状。另一方面，萤石是一种晶体物质，其组成原子必须以特定构型排列才能结晶。

将天然萤石粉碎、提纯，然后恢复确切的原子结构，将其结晶成足够大的尺寸以应用于相机镜头，这是一项几乎不可能完成的壮举。因此，开发人员必须确保精确控制的真空环境，温度保持至少 1,000℃，因此他们设计了一种装置来人工生产高纯度的晶体。在 F 项目启动两年后的 1968 年，佳能终于克服了这些障碍，成功地形成了足够大的用于相机镜头的萤石晶体。

萤石镜片生产的另一个挑战是其抛光。由于萤石比玻璃更柔软和脆弱，因此用于抛光玻璃的方法不适用。因此，佳能开发了一种萤石镜片特殊抛光技术，所需时间比普通光学玻璃抛光所需时间长四倍。这项技术在第二年，即 1969 年 5 月成功商品化。

第一个采用萤石透镜元件的透镜是FL-F300 mm f/5.6(1969年发布)。明亮的绿色线，旨在唤起萤石发光的图像，表明透镜具有萤石 透镜元件。

FL-F300mm f/5.6 通过克服众多挑战实现了成功商业化，因其生动、对比度高的渲染效果而备受赞誉，并被广泛用于新闻摄影等领域。

佳能随后改进了其高温真空、温度控制和抛光技术，使萤石镜片元件能够用于更多镜头中。佳能始终致力于追求其长焦镜头的最高图像质量。

萤石镜片生产过程

虽然磨削和抛光过程对于所有类型的光学玻璃来说可能看起来是相同的，但萤石镜片生产过程的每个阶段都需要缓慢、细致的关注细节。

1. 原材料：
萤石镜片的原材料是天然萤石矿。

2. 粉碎和精炼：
将萤石原矿粉碎并精炼以去除杂质，然后倒入不易熔化的石墨坩埚中。

3. 结晶：
将坩埚放入带有加热器的晶体生长装置中，加热至 1,400℃。萤石原矿熔化后，逐渐降低坩埚，使结晶从坩埚底部开始发生。

4. 退火：
退火过程去除晶体内部产生的应力。通过将晶体加热到不足以熔化的温度来去除导致裂纹的应力，然后在几周的长时间内缓慢冷却至室温。

5. 修边和粗加工：
切除水晶表面的多余部分，并将水晶粗加工至所需尺寸。检查水晶内部是否有异常。

6. 抛光：
用凝结抛光剂制成的圆球抛光水晶表面，直至它们半透明并达到指定的尺寸。最后，使用特殊抛光剂去除细微划痕。

7. 蒸镀：
在百万分之一到亿分之一大气压的高真空环境下热蒸发镀膜材料。这在抛光的镜片上形成一层薄膜。

8. 完成：
经验丰富的技术人员使用干涉仪检查纯度。通过检查的镜片元件才会被送去组装成镜头。

自 FL-F300mm 以来，佳能已生产出多 39 款采用萤石镜片元件的镜头。由于萤石镜片元件不仅可以校正色差，而且还有助于减小产品的尺寸和重量，因此它们被积极地用于大型长焦镜头中。这些镜头受到许多需要超长焦距高图像质量的摄影师的喜爱，包括专业体育摄影师和新闻摄影师，以及拍摄野生鸟类、火车和飞机等主题的摄影爱好者。