2019年12月1日

    螢石

    ▲人工螢石結晶體及螢石鏡片
    螢石(Fluorite)的發展歷程

    一直以來﹐將「螢石」(氟化鈣(CaF2)的礦物結晶)與光學玻璃組合使用時能夠理想地修正色差的特點已廣為人所知。然而天然螢石結晶體的尺寸很小,難以實際應用到相機鏡頭上。為了達成普通光學玻璃無法實現的鮮艷精細影像表現,佳能很早就將注意力放到螢石的應用層面上,並於1966年8月啟動了「佳能F計劃」,以開發一款應用螢石的高性能鏡頭為目標,展開了公司對高性能鏡頭的研究與開發。

    於1950年左右,利用天然螢石結晶為原材料製作人工合成螢石的技術研發成功,為螢石作為光學材料的時代奠下基礎。然而,培植包括螢石在內的氟化物晶體需要攝氏1000度以上的真空環境、並需要解決許多安裝及製造過程等方面問題,方能實現量產大尺寸高純度晶體。

    強烈渴望以自己雙手開發螢石以發展高性能鏡頭的佳能研發團隊,終於在1967年3月成功在電爐中製造出第一顆人工合成螢石晶體,並於1968年2月建立了人工合成螢石結晶體的生產技術。在當時,螢石還不能像普通光學玻璃那樣進行打磨。為此,佳能開發了一種可以對此精細物料進行打磨的非傳統加工技術,打磨需時為普通光學玻璃的四倍。 1969年5月,佳能推出旗下首款應用人工合成螢石的可換鏡相機鏡頭FL-F300mm f/5.6。從那時起,應用人工合成螢石就成為佳能設計高性能鏡頭的重要技術之一。

    1974年12月,佳能成立了Optron Inc. (現在的Canon optron),藉此把佳能的人工合成螢石結晶體量產技術商業化。Canon Optron在完善其用於量產人工合成螢石的高溫真空技術及溫度控制技術的同時,還開發了多種其他光學晶體材料。 2006年7月,Canon Optron為史密森天體物理天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)提供了12枚鏡片,其中包括一枚直徑接近40厘米的人工合成螢石鏡片,用於觀測100億光年以外的訊號,為解開銀河系之謎作出貢獻。

     

    螢石的特點

    螢石擁有特別的結晶體結構,帶來一般光學玻璃所欠缺的特質—低折射及低色散特性。以色散特性而言,螢石從紅色光至綠色光的色散特性,與一般光學玻璃大致相同,但由綠色光至藍色光的色散卻有很大差別(這被稱為部分異常色散現象),活用這種特性的話,便能大大提升鏡頭的性能。

    螢石的優點
    徹底消除二次色差

    根據光學理論,當一片凸透螢石鏡片設計,與一片高色差的光學玻璃凹透鏡組合時,能修正紅色及藍色光線的色散,螢石的部分異常色散現象(Extraordinary Partial Dispersion)會同時對綠色光線產生作用,有效抵銷了綠色波長的色差至相當低的程度,於是三種顏色(紅、綠、藍)的光線便能匯聚於同一焦點,二次色差的現象便可減少至最低,達至最理想的色差補償高校正消色差效果(Apochromatic,APO)。

     

    提升整體畫面的影像質素   

    若遠攝鏡頭採用前凸透鏡/後凹透鏡這種光學配置,鏡頭的實際長度可比鏡頭的焦距短。為了提高鏡頭畫面由中心至邊緣的銳利度,前鏡組需盡可能保持最低的折射率,因此螢石的低折射特性便可有助提升整體畫面的影像質素。

     

    縮短整體鏡頭長度   

    要減少遠攝鏡頭的整體長度,理想做法是加強凹凸鏡片之間的相互倍率(Mutual Power)。當採用一般的光學玻璃時加強相互倍率,會令像場彎曲變形的情況難以修正。然而螢石低折射率特性,有助符合「Petzval和數」的設定條件,令整體鏡頭長度縮短的情況下,仍能保持高質素影像。