—— 引言 ——

相機、投影機、辦公用多功能一體機、打印機、醫療設備等光學設備，它們都是利用光的性質，再現物體“影像”，以此傳達各種各樣的信息。這些設備中所采用的光學技術是從根本上支撐我們日常生活的科技之一。

佳能的光學技術集結了從材料、設計到加工的各種技術，源源不斷地創造出具有較高精度的設備與具備全新性能的設備。要想開發出新型材料，讓“理論上可能”的現象變成現實，實現理想性能并惠及大眾，生產技術不可或缺。

此次采訪我們將聚焦其中的核心技術——相機鏡頭的生產技術。

在這方面，佳能擁有哪些核心技術？它們是如何誕生的？未來將要走向何方？讓我們來聽聽研發人員怎么說。

—— 此次“訪談”的研發人員 ——

——“非球面鏡片”是一種什么樣的鏡片？與傳統的球面鏡片相比，它有什么樣的不同？

中川 英則

球面鏡片存在一個宿命般的課題，那就是“無法使平行光線完全聚集于一點”。由于鏡片的表面是球面，所以透過鏡片邊緣部位的光會比透過鏡片中心部位的光更向鏡片中心而聚集，從而會出現導致成像模糊的“球面像差”。要想補償這種球面像差，必須組裝多個鏡片。所以，我們研發了只需1個鏡片即可消除球面像差的非球面鏡片。

非球面鏡片，顧名思義，即鏡片的面不是“球面”。其曲率沿著半徑方向微妙地變化，從截面來看，鏡片邊緣略微凹陷。通過加工成這種形狀，可以使透過鏡片的光聚集于一點，從而獲得清晰、真實的影像。

——制造非球面鏡片的技術有哪些？

中川

非球面鏡片的制造方法主要有4種：切削打磨的“研磨法”、用模具使玻璃成型的“玻璃模壓成型法”、組合使用玻璃與塑料的“混合成型法”、以及用模具使塑料成型的“注塑成型法”。對于玻璃的非球面鏡片來講，有研磨法與玻璃模壓成型法這兩種方法。

非球面鏡片的磨削方法

通過研磨來加工球面鏡片，就是將工具的形狀直接復制過來。希望制造某一形狀的鏡片時，使用具有反轉形狀的工具來制造。讓鏡片材料與具有反轉形狀的工具互相摩擦，以此復制工具的形狀。

但是，非球面鏡片在鏡片的表面具有復雜的曲線，因此無法使用互相摩擦的方法來制造。

對于采用研磨法的非球面鏡片，是利用裝有金剛石的工具即砂輪，使之一邊旋轉一邊切削鏡片，從而制作出非球面的復雜形狀。控制鏡片與砂輪的切削位置的加工機的精度直接影響鏡片的精度，因此要使用精度非常高的加工機。

——佳能較初研發非球面鏡片是在20世紀70年初期，那么在量產化之前你們曾面臨過哪些必須攻克的課題？

中川

首先，為了讓鏡片按照設計形成非球面形狀，必須具備可在100納米級定位精度下運轉的加工機。雖然加工原理早已經明確，但是我們仍然經歷了設備與原理失配的漫長時期。20世紀60年代中后期，電腦控制運轉的數控機床面世，20世紀70年代，佳能引進這種設備，由此我們才開始能夠量產非球面鏡片。此后經歷了半個世紀左右，如今我們已經可以達成超過當時100倍的精度。

——磨削機的運轉非常復雜，它要一邊旋轉一邊平行移動，高精度地打磨形狀。后面還有研磨階段。那么非球面鏡片加工較難的地方在哪里？

中川

首先，工具必須具有較高精度。在磨削階段，要用金剛石干脆利落地切削，因此鏡片會變白。要想通過磨削獲得透明度更高的鏡片，重點在于工具形狀與金剛石狀態等方面的管理。研磨工具直徑越大效率越高，但是如果使用比鏡片還大的工具，就會與球面鏡片的研磨方法別無二致，較終變成球面鏡片。工具越小越容易處理復雜的非球面形狀，但是相應地加工時間也會更長。只有采用特殊的工具設計技術，兼顧時間與精度，才能進行非球面的研磨。

于是，加工機的運轉方式就成了關鍵。僅靠加工機的精度無法達到鏡片的精度。較難的地方在于：加工機、工具、控制加工機運轉的軟件這三者要如何組合才能達成理想精度。如果找不到預期形狀與加工后形狀之間出現誤差的原因，就無法確定三者的組合方式。我覺得，要感謝工廠、設備研發、工藝研發的同事們，正是他們花費了大量的時間，滿懷熱忱地投入到探明原因的這個課題中，非球面鏡片才能達到目前的精度。

——請談一談用模具制造非球面鏡片的另一種工藝——玻璃模壓成型工藝，它是一種什么樣的技術？

宮澤 俊一

它是一種采用經精密加工的非球面模具直接沖壓玻璃而進行制作的工藝。放好玻璃胚材與用來使玻璃變形的模具，經過加熱、沖壓、冷卻這一系列步驟后，將玻璃從模具中取出。

因為可以輕松更換模具，所以很多不同式樣的鏡片都是通過玻璃模具來制造的，具有生產率較高的優點。

——提高生產率的關鍵是什么？

非球面鏡片的模具

宮澤

玻璃沖壓的相關參數有3個：溫度、時間、荷重。通過在這些參數的設置上動腦筋，縮短加工工藝的耗時，可以提高生產率。因此如何在保證質量的同時，加速高溫沖壓的過程與冷卻取出的過程是關鍵所在。

——玻璃模壓成型的難點在哪里？

宮澤

玻璃有很多種，不同種類成分不同，不能全部用同一種工藝來加工。不同形狀的加工難度也不同。如何設計出適應各種玻璃與形狀的工藝，是玻璃模壓成型的難點所在。

玻璃模壓成型技術雖然在不斷進步，但仍有許多有待填補的空白。其中的難點之一就是對如下問題進行數值化管理：如何在高溫之中一點一點地碾壓玻璃；在冷卻時會發生什么現象。

在我模壓成型加工不順利，不斷嘗試不斷失敗的時候，我的領導曾對我說：“你還沒有完全做到與玻璃心意相通。”起初我覺得這是一句半開玩笑的話，但是后來我領悟到，站在玻璃的角度上去思考是多么重要，要將自己想象成玻璃，如果我是遭受荷重的玻璃，那么我希望如何變形呢？進展順利的時候我就非常開心，會覺得是不是自己稍微揣摩到了一點玻璃的心思（笑）。

——關于高精度的非球面鏡片，聽說凹面是在凸面之后研發出來的，它們的技術難度有什么不同嗎？

宮澤

鏡片有各種類型，除了兩面都是凸面、兩面都是凹面這樣的組合以外，還有一面是凸面一面是凹面這樣的組合。凸面與凹面從模具中剝離的方法不同。因此，必須根據不同的形狀研發不同的加工工藝。

對于這種由形狀帶來的困難，我們早在設計階段就已經有了某種程度上的了解與預計，在攻克這個困難的研發階段就是反反復復的嘗試與失敗。 

——作為用戶，越來越期待能藉由玻璃模壓成型技術的進步，出現各種各樣的高性能鏡頭。那么今后的發展方向是怎樣的？

宮澤

玻璃模壓成型并無法將所有設計形狀成型。我希望，今后可以采用玻璃模壓成型來加工的玻璃材料的種類與形狀越來越多，玻璃模壓成型的領域進一步擴大。

——“DO鏡片”是什么樣的鏡片？

丹羽 麻衣子

光透過鏡片時會發生折射。另外，光在遇到障礙物時會繞到障礙物的背后，我們把這種性質叫做衍射。DO鏡片就是采用以環帶狀制造而成的“Diffractive Optics（衍射光學元件）”，是利用光的折射與衍射這兩種性質來補償色差的鏡片。

在普通折射鏡片與DO鏡片中，所產生的色差完全相反。在凸透鏡的情況下，折射鏡片是以藍→綠→紅的順序成像的，而DO鏡片則相反，是以紅→綠→藍的順序成像的。通過將這二者組合起來，可以將色差相互抵消，使之得到補償，從而使望遠鏡等可較大程度地實現小型化與輕量化。

——DO這種特殊的元件是關鍵所在吧。

丹羽

DO是在鏡片表面刻上“鋸齒”狀格紋，使光衍射，從而控制光的前進路徑的。采用了DO元件的鏡片是一種特殊的鏡片，它所利用的并非是光的折射作用，而是透過數條環帶的光的干涉作用。

——這種形狀的鏡片是很早以前就有的嗎？

丹羽

只針對一種顏色的元件早已廣泛應用于各個領域，比如CD、DVD等中使用的讀取鏡頭等，但在可見光全域內利用衍射作用的光學元件是佳能在2001年作為產品推出的。雖然理論上早就知道衍射現象具有與折射系統截然相反的色差補償效果，可是將它實際應用到相機鏡片中對佳能來說還是破天荒的第一次。

——DO鏡片有哪些種類？它們各自具有什么特征？

丹羽

佳能推出的DO鏡片有“多層型（雙層型、三層型）”與“無縫雙層型”兩種。

多層型包括結構不同的兩種類型，雙層型的結構為：在兩個DO鏡片之間具有一個空氣層，而三層型的結構為：用不同種類的材料覆蓋兩個DO鏡片中的一個。隨著研發由雙層型向三層型推進，在變焦鏡頭中也可以應用DO鏡片了。

無縫雙層型的結構更加簡單，是在緊密貼合的材料與材料之間具有一個DO鏡片。這種結構的DO鏡片通過使用“特殊樹脂材料”，可以在可見光全域內高效地使光衍射。

——“特殊樹脂材料”是一種什么樣的材料？

丹羽

使用這種材料，可以打造出通過衍射使光幾乎百分之百地彎曲的理想鏡片。佳能自主研發出了可以較大限度地發揮DO性能的材料，同時研發出了使用這種材料制造光學鏡頭的技術，從而成功實現了嶄新的DO。

——正因為是特殊材料的加工，所以你們花費了很多心血吧？

丹羽

我們遇到了很多技術難點，那些普通材料可以輕松解決的問題變成了難題，比如如何來處理特殊樹脂，如何制作才能讓它更加輕薄，等等。

環帶形狀是將材料在模具上鋪開，通過照射紫外線使之硬化而形成的。這種工藝的關鍵在于，如何完全按照所設計的形狀來使特殊樹脂成型。雖然在理論上已經有了答案，但是實際操作時還是會發生很多意想不到的情況。關于如何在這方面推動技術成熟，我們花費了很多心血。

但是我感覺，越難的課題越值得做。佳能擁有的技術涉及領域廣泛。就算你有了材料，就算你的加工技術很牛，但是僅憑這兩者中的任何一者都無法制造出這種特殊的鏡頭。我覺得，同時擁有這兩者正是佳能的優勢所在，對于自己能夠為其中之一貢獻力量，我覺得非常開心。

——“BR（藍色光譜折射）光學元件”是一種什么樣的元件？

BR鏡片的原理

齋藤 輝伸

自然光在普通光學鏡片元件中的折射率因其構成光的波長不同而不同。因此，普通的鏡片無法讓光聚集于一點而成像。為了補償這種色差，迄今為止研發出了各種光學元件，但是要想讓藍色這種短波長光聚集于一點尤其困難。

具有僅使藍色光較大程度地折射這種性質的，就是BR光學元件。嵌入了這種元件的BR鏡片具有高水平的色差補償性能，在“將點呈現為點”曾經無比困難的天體拍攝中，也可以實現滲色非常少的高畫質圖像。

——據說材料本身是由佳能公司自主研發的。

齋藤

在研究如何補償只靠綜合了現有技術的鏡片無法補償的色差時，我們得到來自設計部門的建議“使藍色光較大程度地彎曲，這種方法如何？”，于是我們從是否有這樣的材料開始，著手研發。

我們已經知道，在市售的普遍材料當中，有可以使藍色光較大程度地彎曲的材料，但是它們有的無法作為鏡片材料來使用，有的必須要放棄理想性能。于是，我們決定從零開始，自主研發不必做出任何妥協的材料。

——可以想象的到從零開始制造材料是一個無比漫長的過程。能否具體談一談你們做了什么樣的工作？ 

齋藤

因為這是我們首次嘗試從分子設計開始進行內部研發的有機光學材料，所以我們首先準備了一個實驗室，以供進行化學反應。

然后，我們反復進行材料模擬、實際合成、特性測評。材料模擬與它實際能否合成、作為物質是否穩定等無關，只要輸入數值，必然會有結果。但是，如果進行模擬時只追求特性，就會得到想不出制造方法的毫無意義的分子結構。因此，我們考慮了各種情況，比如某種分子結構是否可以用這種方法合成、某種分子結構是否在各種條件下都很穩定等等，從而一步一步鎖定要實際合成并加以測評的分子結構。

在分子設計遇到瓶頸時，我們會逐頁翻看原料/試劑廠家的商品目錄，以激發新的靈感。

盡管人們偏向于只關注光學特性，但我們所要追求的不僅是要使藍色光彎曲，還包括材料自身的制造工序問題、對人體的安全性、處理材料時的操作性、長期穩定性等作為材料所必須具備的條件，要想打造、設計出“出色的性能”非常困難。我覺得從這個意義上來講，它是一種高標準、嚴要求的材料。

——克服重重困難完成這種材料時，您應該非常高興吧？

齋藤

不知道是不是該說萬難之中自有樂趣，這份工作盡管是基礎作業的日積月累，卻蘊含著莫大的價值與趣味。發現一直在尋找的材料，利用它實現了性能時，我的內心無比激動，幾乎想要振臂高呼：“我成功了！”

創造出全新事物，這種巨大的成就感是我未曾體驗過的心情。作為材料研發人員，會有“好想試試這個”的執念，這份工作有一部分是全權委托給個人的，因此不僅可以做被要求做的工作，還可以盡情嘗試那些想做的研發，這也讓人覺得非常有價值。

實際上，在材料領域，有很多“不做不知道”的事情。我是“不撞南墻不回頭”的性格，一直以來都秉持著“親自動手，親眼確認”的原則。 

——如今，BR鏡片被搭載到“EF35mm F1.4L Ⅱ USM”上，據相機雜志等報道，獲得了“沒想到會如此與眾不同”、“真的很厲害”這樣的好評。它與舊的型號相比，在結構和鏡片數量等方面都不相同，那么較大的不同點是否在于它使用了BR元件？

齋藤

的確如此。對于其他部分我們當然也花了很多心思，但是在補償色差的能力方面，我覺得BR鏡片的作用很大。今后，我們也將設法擴大搭載這種鏡片的產品陣容，并且已經開始了進一步提高性能的研究與降低成本的探索。

——請先談一談防反射膜的作用與功能。

槙野 憲治

在空氣與玻璃的交界面上，折射率大不相同，光會在鏡片表面反射，從而導致鏡片的透光率降低。另外，還會產生鬼影（在鏡片表面多次反射的光形成原本不存在的圖像的現象）或眩光（逆光等強光被鏡片或鏡筒反射或散射，導致畫面一部分變白的現象）。為了抑制這些現象，會在鏡片的表面鍍上極薄的膜來防止反射。但是，根據不同的光入射角等條件，有時會無法充分抑制反射。

SWC的結構

于是，為了進一步提高防反射性能，我們開始研發采用納米技術的鏡片鍍膜技術。

防止光反射的重點在于，如何控制外部空氣與膜的交界面。2008年開始用于產品的“SWC（亞波長結構鍍膜）”是一項新型的鍍膜技術，它通過在鏡片表面排列無數比可見光波長（380～780nm*）還小的納米單位的錐形結構物，來讓光實質上感覺不到交界面。一直以來，斜射光的反射都很難抑制，而這種技術對斜射光也能發揮出色的效果，可以較大程度地抑制眩光與鬼影的產生。

但是，要想形成SWC的納米尺寸結構物，需要執行復雜的工序。為了制造出一種制法簡單且不具有像SWC那樣的結構體的高性能防反射膜，我們開始了“ASC（空氣球形鍍膜）”的研發。

* 1nm（納米）：1/1000000000米

——ASC是一種什么樣的鍍膜技術？

槙野

ASC研發于2014年，是一種在鏡片表面的蒸鍍膜上形成空氣膜（含有空氣的膜）的較新鍍膜技術。通過向蒸鍍膜層與外部空氣之間夾入“空氣膜（含有空氣的膜）”，可以抑制光的反射，尤其是對于以接近垂直的角度入射的光，效果更佳。另外，不具備結構體的ASC比起SWC，可適用的面的種類更加豐富。提高所適用的面的自由度，是研發的重要目標之一。

——聽說，SWC對于斜射光比較有效，ASC對于接近垂直的光比較有效。

槙野

從原理上來說，無論光是從上方射過來還是從旁邊射過來，錐形結構對于光而言都不會成為交界面，只要沒有交界面，防反射性能便會更加出色。因此，SWC不僅對于斜射光有效，對于接近垂直的光也可以發揮出色的性能。它不是一項只針對特定光的特殊技術。

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，但是對于接近垂直的光來說，ASC膜的結構所發揮出的效果更好。

——那么SWC與ASC今后的應用領域有何不同？

槙野

這和哪些地方需要消除眩光與鬼影的技術有關，對于需要具備針對斜射光的性能的鏡片，可以采用SWC，對于其他的鏡片則可以積極引入ASC。

——請再談一談ASC的技術要點。

槙野

為了降低外部空氣與膜的交界面上的反射，我們研發出了超低折射率層。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。而空氣的折射率是“1”，要想使折射率接近空氣，降低反射，我們得到了結論是除了像SWC那樣采用錐形結構來消除外部空氣與膜的交界以外，就只有在膜中注入空氣這一個方法了。這樣的話，要考慮的問題就變成了在膜中注入多少空氣，ASC采用了在膜中注入無數小尺寸空氣的辦法。

如果空氣的單個尺寸過大，或者分布不均勻，那么膜中包含的空氣本身就會導致光漫反射，使光難以透過，從而無法作為防反射膜來使用。另外，如果空氣含量過多，那么膜就會變得比較脆弱。

通過材料成分與工藝來控制空氣的尺寸與含量，就是ASC的技術要點所在。我同時參與了材料與工藝這兩個方面的工作，較絞盡腦汁的地方就是，如何平衡性能與防反射膜成型后的鏡片處理。

——是什么樣的時刻讓您感受到了這份工作的價值？

槙野

防反射膜是屬于納米級別的材料，肉眼無法看見，是一種性能越高越難看見的“低調”技術，但就是這種“低調”的技術卻給攝影文化帶來了巨大的影響，它使“EF11-24mm F4L USM”鏡片得以產品化，這種鏡片具有以傳統鏡片無法實現的超廣角焦距這一特長，也就是說，這種鏡片能夠拍攝出過去無法拍攝出的照片。當使用這種鏡片產品的客戶給出高度評價的時候，我覺得“能堅持下來，真的太好了。”

目前**來講，在業內，佳能是一家擁有像SWC、ASC這樣性質不同的兩種自主研發的高性能防反射膜的公司。我們在研發中將靈活地區分使用上述兩種防反射膜，朝著創造更高性能的鏡頭這一目標大步前進。

* 截至2018年6月

—— 結語 ——

為了將新產品送到消費者手中，不僅產品本身的研發不可或缺，如何將產品量產化的“生產技術”同樣不可或缺。從材料研發、加工/成型到制造設備研發，佳能的生產技術涉及到了與產品研發相關的各個領域與工序，通過先進的技術研發，將優秀的新產品送到更多人手中，這是佳能一直以來所努力的方向。

毫無疑問，這里蘊藏著研發人員屢敗屢戰、愈戰愈勇的氣魄。也蘊藏著技術人員迎難而上、樂于挑戰的精神。研發人員永無止境的挑戰成為了新事物產生的原動力，它將創造的可能性無限擴大。優秀的生產技術支撐著光學技術的進一步升級，今后一定也能夠繼續滿足人們“原樣拍出所見景象”的愿望。

采訪與撰稿  ：后藤依子（GOTO YORIKO）
 

曾在印刷公司、編輯制作公司工作，現為獨立的自由撰稿人。在半導體、能源、工業設備、環境等廣闊的領域，從事撰稿為主的制作工作。