佳能的 高性能镜头的生产技术 怎么开发的 开发经历 制造高性能镜头的生产技术 研发轶事

—— 引言 ——

相机、投影机、办公用多功能一体机、打印机、医疗设备等光学设备，它们都是利用光的性质，再现物体“影像”，以此传达各种各样的信息。这些设备中所采用的光学技术是从根本上支撑我们日常生活的科技之一。

佳能的光学技术集结了从材料、设计到加工的各种技术，源源不断地创造出具有较高精度的设备与具备全新性能的设备。要想开发出新型材料，让“理论上可能”的现象变成现实，实现理想性能并惠及大众，生产技术不可或缺。

此次采访我们将聚焦其中的核心技术——相机镜头的生产技术。

在这方面，佳能拥有哪些核心技术？它们是如何诞生的？未来将要走向何方？让我们来听听研发人员怎么说。

—— 此次“访谈”的研发人员 ——

——“非球面镜片”是一种什么样的镜片？与传统的球面镜片相比，它有什么样的不同？

中川 英则

球面镜片存在一个宿命般的课题，那就是“无法使平行光线完全聚集于一点”。由于镜片的表面是球面，所以透过镜片边缘部位的光会比透过镜片中心部位的光更向镜片中心而聚集，从而会出现导致成像模糊的“球面像差”。要想补偿这种球面像差，必须组装多个镜片。所以，我们研发了只需1个镜片即可消除球面像差的非球面镜片。

非球面镜片，顾名思义，即镜片的面不是“球面”。其曲率沿着半径方向微妙地变化，从截面来看，镜片边缘略微凹陷。通过加工成这种形状，可以使透过镜片的光聚集于一点，从而获得清晰、真实的影像。

——制造非球面镜片的技术有哪些？

中川

非球面镜片的制造方法主要有4种：切削打磨的“研磨法”、用模具使玻璃成型的“玻璃模压成型法”、组合使用玻璃与塑料的“混合成型法”、以及用模具使塑料成型的“注塑成型法”。对于玻璃的非球面镜片来讲，有研磨法与玻璃模压成型法这两种方法。

非球面镜片的磨削方法

通过研磨来加工球面镜片，就是将工具的形状直接复制过来。希望制造某一形状的镜片时，使用具有反转形状的工具来制造。让镜片材料与具有反转形状的工具互相摩擦，以此复制工具的形状。

但是，非球面镜片在镜片的表面具有复杂的曲线，因此无法使用互相摩擦的方法来制造。

对于采用研磨法的非球面镜片，是利用装有金刚石的工具即砂轮，使之一边旋转一边切削镜片，从而制作出非球面的复杂形状。控制镜片与砂轮的切削位置的加工机的精度直接影响镜片的精度，因此要使用精度非常高的加工机。

——佳能较初研发非球面镜片是在20世纪70年初期，那么在量产化之前你们曾面临过哪些必须攻克的课题？

中川

首先，为了让镜片按照设计形成非球面形状，必须具备可在100纳米级定位精度下运转的加工机。虽然加工原理早已经明确，但是我们仍然经历了设备与原理失配的漫长时期。20世纪60年代中后期，电脑控制运转的数控机床面世，20世纪70年代，佳能引进这种设备，由此我们才开始能够量产非球面镜片。此后经历了半个世纪左右，如今我们已经可以达成超过当时100倍的精度。

——磨削机的运转非常复杂，它要一边旋转一边平行移动，高精度地打磨形状。后面还有研磨阶段。那么非球面镜片加工较难的地方在哪里？

中川

首先，工具必须具有较高精度。在磨削阶段，要用金刚石干脆利落地切削，因此镜片会变白。要想通过磨削获得透明度更高的镜片，重点在于工具形状与金刚石状态等方面的管理。研磨工具直径越大效率越高，但是如果使用比镜片还大的工具，就会与球面镜片的研磨方法别无二致，较终变成球面镜片。工具越小越容易处理复杂的非球面形状，但是相应地加工时间也会更长。只有采用特殊的工具设计技术，兼顾时间与精度，才能进行非球面的研磨。

于是，加工机的运转方式就成了关键。仅靠加工机的精度无法达到镜片的精度。较难的地方在于：加工机、工具、控制加工机运转的软件这三者要如何组合才能达成理想精度。如果找不到预期形状与加工后形状之间出现误差的原因，就无法确定三者的组合方式。我觉得，要感谢工厂、设备研发、工艺研发的同事们，正是他们花费了大量的时间，满怀热忱地投入到探明原因的这个课题中，非球面镜片才能达到目前的精度。

——请谈一谈用模具制造非球面镜片的另一种工艺——玻璃模压成型工艺，它是一种什么样的技术？

宫泽 俊一

它是一种采用经精密加工的非球面模具直接冲压玻璃而进行制作的工艺。放好玻璃胚材与用来使玻璃变形的模具，经过加热、冲压、冷却这一系列步骤后，将玻璃从模具中取出。

因为可以轻松更换模具，所以很多不同式样的镜片都是通过玻璃模具来制造的，具有生产率较高的优点。

——提高生产率的关键是什么？

非球面镜片的模具

宫泽

玻璃冲压的相关参数有3个：温度、时间、荷重。通过在这些参数的设置上动脑筋，缩短加工工艺的耗时，可以提高生产率。因此如何在保证质量的同时，加速高温冲压的过程与冷却取出的过程是关键所在。

——玻璃模压成型的难点在哪里？

宫泽

玻璃有很多种，不同种类成分不同，不能全部用同一种工艺来加工。不同形状的加工难度也不同。如何设计出适应各种玻璃与形状的工艺，是玻璃模压成型的难点所在。

玻璃模压成型技术虽然在不断进步，但仍有许多有待填补的空白。其中的难点之一就是对如下问题进行数值化管理：如何在高温之中一点一点地碾压玻璃；在冷却时会发生什么现象。

在我模压成型加工不顺利，不断尝试不断失败的时候，我的领导曾对我说：“你还没有完全做到与玻璃心意相通。”起初我觉得这是一句半开玩笑的话，但是后来我领悟到，站在玻璃的角度上去思考是多么重要，要将自己想象成玻璃，如果我是遭受荷重的玻璃，那么我希望如何变形呢？进展顺利的时候我就非常开心，会觉得是不是自己稍微揣摩到了一点玻璃的心思（笑）。

——关于高精度的非球面镜片，听说凹面是在凸面之后研发出来的，它们的技术难度有什么不同吗？

宫泽

镜片有各种类型，除了两面都是凸面、两面都是凹面这样的组合以外，还有一面是凸面一面是凹面这样的组合。凸面与凹面从模具中剥离的方法不同。因此，必须根据不同的形状研发不同的加工工艺。

对于这种由形状带来的困难，我们早在设计阶段就已经有了某种程度上的了解与预计，在攻克这个困难的研发阶段就是反反复复的尝试与失败。 

——作为用户，越来越期待能藉由玻璃模压成型技术的进步，出现各种各样的高性能镜头。那么今后的发展方向是怎样的？

宫泽

玻璃模压成型并无法将所有设计形状成型。我希望，今后可以采用玻璃模压成型来加工的玻璃材料的种类与形状越来越多，玻璃模压成型的领域进一步扩大。

——“DO镜片”是什么样的镜片？

丹羽 麻衣子

光透过镜片时会发生折射。另外，光在遇到障碍物时会绕到障碍物的背后，我们把这种性质叫做衍射。DO镜片就是采用以环带状制造而成的“Diffractive Optics（衍射光学元件）”，是利用光的折射与衍射这两种性质来补偿色差的镜片。

在普通折射镜片与DO镜片中，所产生的色差完全相反。在凸透镜的情况下，折射镜片是以蓝→绿→红的顺序成像的，而DO镜片则相反，是以红→绿→蓝的顺序成像的。通过将这二者组合起来，可以将色差相互抵消，使之得到补偿，从而使望远镜等可较大程度地实现小型化与轻量化。

——DO这种特殊的元件是关键所在吧。

丹羽

DO是在镜片表面刻上“锯齿”状格纹，使光衍射，从而控制光的前进路径的。采用了DO元件的镜片是一种特殊的镜片，它所利用的并非是光的折射作用，而是透过数条环带的光的干涉作用。

——这种形状的镜片是很早以前就有的吗？

丹羽

只针对一种颜色的元件早已广泛应用于各个领域，比如CD、DVD等中使用的读取镜头等，但在可见光全域内利用衍射作用的光学元件是佳能在2001年作为产品推出的。虽然理论上早就知道衍射现象具有与折射系统截然相反的色差补偿效果，可是将它实际应用到相机镜片中对佳能来说还是破天荒的第一次。

——DO镜片有哪些种类？它们各自具有什么特征？

丹羽

佳能推出的DO镜片有“多层型（双层型、三层型）”与“无缝双层型”两种。

多层型包括结构不同的两种类型，双层型的结构为：在两个DO镜片之间具有一个空气层，而三层型的结构为：用不同种类的材料覆盖两个DO镜片中的一个。随着研发由双层型向三层型推进，在变焦镜头中也可以应用DO镜片了。

无缝双层型的结构更加简单，是在紧密贴合的材料与材料之间具有一个DO镜片。这种结构的DO镜片通过使用“特殊树脂材料”，可以在可见光全域内高效地使光衍射。

——“特殊树脂材料”是一种什么样的材料？

丹羽

使用这种材料，可以打造出通过衍射使光几乎百分之百地弯曲的理想镜片。佳能自主研发出了可以较大限度地发挥DO性能的材料，同时研发出了使用这种材料制造光学镜头的技术，从而成功实现了崭新的DO。

——正因为是特殊材料的加工，所以你们花费了很多心血吧？

丹羽

我们遇到了很多技术难点，那些普通材料可以轻松解决的问题变成了难题，比如如何来处理特殊树脂，如何制作才能让它更加轻薄，等等。

环带形状是将材料在模具上铺开，通过照射紫外线使之硬化而形成的。这种工艺的关键在于，如何完全按照所设计的形状来使特殊树脂成型。虽然在理论上已经有了答案，但是实际操作时还是会发生很多意想不到的情况。关于如何在这方面推动技术成熟，我们花费了很多心血。

但是我感觉，越难的课题越值得做。佳能拥有的技术涉及领域广泛。就算你有了材料，就算你的加工技术很牛，但是仅凭这两者中的任何一者都无法制造出这种特殊的镜头。我觉得，同时拥有这两者正是佳能的优势所在，对于自己能够为其中之一贡献力量，我觉得非常开心。

——“BR（蓝色光谱折射）光学元件”是一种什么样的元件？

BR镜片的原理

斋藤 辉伸

自然光在普通光学镜片元件中的折射率因其构成光的波长不同而不同。因此，普通的镜片无法让光聚集于一点而成像。为了补偿这种色差，迄今为止研发出了各种光学元件，但是要想让蓝色这种短波长光聚集于一点尤其困难。

具有仅使蓝色光较大程度地折射这种性质的，就是BR光学元件。嵌入了这种元件的BR镜片具有高水平的色差补偿性能，在“将点呈现为点”曾经无比困难的天体拍摄中，也可以实现渗色非常少的高画质图像。

——据说材料本身是由佳能公司自主研发的。

斋藤

在研究如何补偿只靠综合了现有技术的镜片无法补偿的色差时，我们得到来自设计部门的建议“使蓝色光较大程度地弯曲，这种方法如何？”，于是我们从是否有这样的材料开始，着手研发。

我们已经知道，在市售的普遍材料当中，有可以使蓝色光较大程度地弯曲的材料，但是它们有的无法作为镜片材料来使用，有的必须要放弃理想性能。于是，我们决定从零开始，自主研发不必做出任何妥协的材料。

——可以想象的到从零开始制造材料是一个无比漫长的过程。能否具体谈一谈你们做了什么样的工作？ 

斋藤

因为这是我们首次尝试从分子设计开始进行内部研发的有机光学材料，所以我们首先准备了一个实验室，以供进行化学反应。

然后，我们反复进行材料模拟、实际合成、特性测评。材料模拟与它实际能否合成、作为物质是否稳定等无关，只要输入数值，必然会有结果。但是，如果进行模拟时只追求特性，就会得到想不出制造方法的毫无意义的分子结构。因此，我们考虑了各种情况，比如某种分子结构是否可以用这种方法合成、某种分子结构是否在各种条件下都很稳定等等，从而一步一步锁定要实际合成并加以测评的分子结构。

在分子设计遇到瓶颈时，我们会逐页翻看原料/试剂厂家的商品目录，以激发新的灵感。

尽管人们偏向于只关注光学特性，但我们所要追求的不仅是要使蓝色光弯曲，还包括材料自身的制造工序问题、对人体的安全性、处理材料时的操作性、长期稳定性等作为材料所必须具备的条件，要想打造、设计出“出色的性能”非常困难。我觉得从这个意义上来讲，它是一种高标准、严要求的材料。

——克服重重困难完成这种材料时，您应该非常高兴吧？

斋藤

不知道是不是该说万难之中自有乐趣，这份工作尽管是基础作业的日积月累，却蕴含着莫大的价值与趣味。发现一直在寻找的材料，利用它实现了性能时，我的内心无比激动，几乎想要振臂高呼：“我成功了！”

创造出全新事物，这种巨大的成就感是我未曾体验过的心情。作为材料研发人员，会有“好想试试这个”的执念，这份工作有一部分是全权委托给个人的，因此不仅可以做被要求做的工作，还可以尽情尝试那些想做的研发，这也让人觉得非常有价值。

实际上，在材料领域，有很多“不做不知道”的事情。我是“不撞南墙不回头”的性格，一直以来都秉持着“亲自动手，亲眼确认”的原则。 

——如今，BR镜片被搭载到“EF35mm F1.4L Ⅱ USM”上，据相机杂志等报道，获得了“没想到会如此与众不同”、“真的很厉害”这样的好评。它与旧的型号相比，在结构和镜片数量等方面都不相同，那么较大的不同点是否在于它使用了BR元件？

斋藤

的确如此。对于其他部分我们当然也花了很多心思，但是在补偿色差的能力方面，我觉得BR镜片的作用很大。今后，我们也将设法扩大搭载这种镜片的产品阵容，并且已经开始了进一步提高性能的研究与降低成本的探索。

——请先谈一谈防反射膜的作用与功能。

槙野 宪治

在空气与玻璃的交界面上，折射率大不相同，光会在镜片表面反射，从而导致镜片的透光率降低。另外，还会产生鬼影（在镜片表面多次反射的光形成原本不存在的图像的现象）或眩光（逆光等强光被镜片或镜筒反射或散射，导致画面一部分变白的现象）。为了抑制这些现象，会在镜片的表面镀上极薄的膜来防止反射。但是，根据不同的光入射角等条件，有时会无法充分抑制反射。

SWC的结构

于是，为了进一步提高防反射性能，我们开始研发采用纳米技术的镜片镀膜技术。

防止光反射的重点在于，如何控制外部空气与膜的交界面。2008年开始用于产品的“SWC（亚波长结构镀膜）”是一项新型的镀膜技术，它通过在镜片表面排列无数比可见光波长（380～780nm*）还小的纳米单位的锥形结构物，来让光实质上感觉不到交界面。一直以来，斜射光的反射都很难抑制，而这种技术对斜射光也能发挥出色的效果，可以较大程度地抑制眩光与鬼影的产生。

但是，要想形成SWC的纳米尺寸结构物，需要执行复杂的工序。为了制造出一种制法简单且不具有像SWC那样的结构体的高性能防反射膜，我们开始了“ASC（空气球形镀膜）”的研发。

* 1nm（纳米）：1/1000000000米

——ASC是一种什么样的镀膜技术？

槙野

ASC研发于2014年，是一种在镜片表面的蒸镀膜上形成空气膜（含有空气的膜）的较新镀膜技术。通过向蒸镀膜层与外部空气之间夹入“空气膜（含有空气的膜）”，可以抑制光的反射，尤其是对于以接近垂直的角度入射的光，效果更佳。另外，不具备结构体的ASC比起SWC，可适用的面的种类更加丰富。提高所适用的面的自由度，是研发的重要目标之一。

——听说，SWC对于斜射光比较有效，ASC对于接近垂直的光比较有效。

槙野

从原理上来说，无论光是从上方射过来还是从旁边射过来，锥形结构对于光而言都不会成为交界面，只要没有交界面，防反射性能便会更加出色。因此，SWC不仅对于斜射光有效，对于接近垂直的光也可以发挥出色的性能。它不是一项只针对特定光的特殊技术。

而另一方面，ASC具有交界面，因此在斜射光的防反射性能方面，SWC更好，但是对于接近垂直的光来说，ASC膜的结构所发挥出的效果更好。

——那么SWC与ASC今后的应用领域有何不同？

槙野

这和哪些地方需要消除眩光与鬼影的技术有关，对于需要具备针对斜射光的性能的镜片，可以采用SWC，对于其他的镜片则可以积极引入ASC。

——请再谈一谈ASC的技术要点。

槙野

为了降低外部空气与膜的交界面上的反射，我们研发出了超低折射率层。如果采用普通的膜材料，那么低折射率膜的折射率在“1.37”左右。而空气的折射率是“1”，要想使折射率接近空气，降低反射，我们得到了结论是除了像SWC那样采用锥形结构来消除外部空气与膜的交界以外，就只有在膜中注入空气这一个方法了。这样的话，要考虑的问题就变成了在膜中注入多少空气，ASC采用了在膜中注入无数小尺寸空气的办法。

如果空气的单个尺寸过大，或者分布不均匀，那么膜中包含的空气本身就会导致光漫反射，使光难以透过，从而无法作为防反射膜来使用。另外，如果空气含量过多，那么膜就会变得比较脆弱。

通过材料成分与工艺来控制空气的尺寸与含量，就是ASC的技术要点所在。我同时参与了材料与工艺这两个方面的工作，较绞尽脑汁的地方就是，如何平衡性能与防反射膜成型后的镜片处理。

——是什么样的时刻让您感受到了这份工作的价值？

槙野

防反射膜是属于纳米级别的材料，肉眼无法看见，是一种性能越高越难看见的“低调”技术，但就是这种“低调”的技术却给摄影文化带来了巨大的影响，它使“EF11-24mm F4L USM”镜片得以产品化，这种镜片具有以传统镜片无法实现的超广角焦距这一特长，也就是说，这种镜片能够拍摄出过去无法拍摄出的照片。当使用这种镜片产品的客户给出高度评价的时候，我觉得“能坚持下来，真的太好了。”

目前**来讲，在业内，佳能是一家拥有像SWC、ASC这样性质不同的两种自主研发的高性能防反射膜的公司。我们在研发中将灵活地区分使用上述两种防反射膜，朝着创造更高性能的镜头这一目标大步前进。

* 截至2018年6月

—— 结语 ——

为了将新产品送到消费者手中，不仅产品本身的研发不可或缺，如何将产品量产化的“生产技术”同样不可或缺。从材料研发、加工/成型到制造设备研发，佳能的生产技术涉及到了与产品研发相关的各个领域与工序，通过先进的技术研发，将优秀的新产品送到更多人手中，这是佳能一直以来所努力的方向。

毫无疑问，这里蕴藏着研发人员屡败屡战、愈战愈勇的气魄。也蕴藏着技术人员迎难而上、乐于挑战的精神。研发人员永无止境的挑战成为了新事物产生的原动力，它将创造的可能性无限扩大。优秀的生产技术支撑着光学技术的进一步升级，今后一定也能够继续满足人们“原样拍出所见景象”的愿望。

采访与撰稿  ：后藤依子（GOTO YORIKO）
 

曾在印刷公司、编辑制作公司工作，现为独立的自由撰稿人。在半导体、能源、工业设备、环境等广阔的领域，从事撰稿为主的制作工作。