網(wǎng)上有很多關(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(shí)，也有很多人為大家解答關(guān)于攝影專用亞克力鏡片的問題，今天亞克力鏡片生產(chǎn)廠家(www.frpingan.cn)為大家整理了關(guān)于這方面的知識(shí)，讓我們一起來看下吧!

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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(duì)大多數(shù)采用圓形光闌的攝影鏡頭來說，一個(gè)點(diǎn)光源所形成的的理想夫瑯禾費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)艾里斑的條件下，中心亮部，也就是0級(jí)明紋占總能量約84%，也就是0級(jí)衍射光與總能量之比為0.84：1，而這個(gè)比值也稱為0級(jí)衍射效率為84%（其實(shí)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(dòng)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(jì)，讓衍射光集中到設(shè)計(jì)所指定的衍射級(jí)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(duì)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(tái)階狀浮雕結(jié)構(gòu)，從而將固定的球面波轉(zhuǎn)換為相對(duì)可控的波前復(fù)振幅，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要的場強(qiáng)分布：

而最重要的衍射效率則與“臺(tái)階”級(jí)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(tái)階為2級(jí)（深度為設(shè)計(jì)波長一半）、4級(jí)（深度為π/2）、8級(jí)（深度為π/4）、16級(jí)（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(xì)，性能就越出色。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中還要涉及具體的衍射級(jí)數(shù)、基底材料、目標(biāo)波長等要素，但這個(gè)傾向性是一定存在的，也就是能夠讓光強(qiáng)集中分布到指定的衍射級(jí)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(tái)階狀浮雕微結(jié)構(gòu)對(duì)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?yàn)檠苌湓⑴c材料無關(guān)，所以這兩個(gè)式子直接變成了：

可見衍射光學(xué)元件阿貝數(shù)恒為負(fù)，所以它對(duì)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(bǔ)償?shù)恼凵湓碚f要簡單許多，也利于分離式設(shè)計(jì)的復(fù)消色差設(shè)計(jì)。

并且，結(jié)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(xiàn)非球面設(shè)計(jì)目的，可以說一個(gè)鏡組就能做很多事兒……所以使用衍射折射混合光學(xué)設(shè)計(jì)就能在同等甚至更強(qiáng)像差校正的情況下，實(shí)現(xiàn)更小型化的設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(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(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(jì)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(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)波長引起的波前相位差為2π的整數(shù)倍時(shí)，即可獲得最大衍射效率。但對(duì)于單層衍射元件來說，在設(shè)計(jì)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(yuǎn)離設(shè)計(jì)波長的衍射光會(huì)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(huì)導(dǎo)致比較明顯的眩光，而且它使用的是機(jī)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(gè)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(jì)波長、和表面微結(jié)構(gòu)界面高度這三個(gè)設(shè)計(jì)變量的單層衍射元件顯然已無法滿足，這時(shí)候就需要采用多層衍射元件組合，以增加更多可調(diào)整參數(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)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(shù)等于各自函數(shù)的乘積，其中最關(guān)鍵的部分就是計(jì)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(gè)衍射效率、波長、高度分布的三維圖形，就能直觀取到的2個(gè)界面高度的最優(yōu)化值，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果，當(dāng)光束傾斜入射時(shí)效率會(huì)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(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(shè)計(jì)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(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焦鏡頭上出現(xiàn)，廣角端的設(shè)計(jì)復(fù)雜度明顯又會(huì)高出幾個(gè)等級(jí)。

佳能的多層DO元件基本都采用嚙合型設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的關(guān)于材料折射率、設(shè)計(jì)波長、微結(jié)構(gòu)高度方程組，只有在2個(gè)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(shí)才有解。而新一代的無縫雙層結(jié)構(gòu)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，有利于提高透過率，而另一種三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其實(shí)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(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(shè)計(jì)。

顯然，理論上衍射元件是妥妥的黑科技，而且確實(shí)相對(duì)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(jì)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(jià)格都相當(dāng)?shù)汀６?00mm 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)品線不做大光圈？嚴(yán)格來說衍射光學(xué)元件因?yàn)榘⒇悢?shù)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(shè)計(jì)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(fù)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(chǔ)上再猛上一個(gè)臺(tái)階，實(shí)在是沒有充裕的市場去支撐這樣一個(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(guī)格來打個(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(duì)較低，但想實(shí)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(jī)對(duì)光學(xué)玻璃材料表面進(jìn)行多次掩模刻蝕，才能達(dá)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(duì)衍射元件的性能對(duì)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(xiàn)，它也不能提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)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(duì)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(shù)OTF(s,t)，假設(shè)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)過略復(fù)雜的計(jì)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(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(gè)需要相當(dāng)精密設(shè)計(jì)才能達(dá)到理想性能的技術(shù)。

再加上攝影鏡頭本來就是一個(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(dāng)小一部分RF鏡頭），這已經(jīng)是整個(gè)行業(yè)的最大數(shù)據(jù)。作為對(duì)比，單單2017年這一年華為的智能手機(jī)出貨量就超過了1.5億，今年預(yù)計(jì)更是會(huì)達(dá)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(jī)鏡頭技術(shù)的迭代節(jié)奏相對(duì)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(shí)在可惜，這本來是一個(gè)在攝影行業(yè)技術(shù)前景很不錯(cuò)的領(lǐng)域，如果能在手機(jī)鏡頭上找到一定的定位，搞不好還能成為一個(gè)提高手機(jī)鏡頭性能的新方向，畢竟現(xiàn)在的手機(jī)鏡頭像差都有點(diǎn)不忍直視……但現(xiàn)在的手機(jī)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。

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