非球面鏡頭，真是那麼神奇又昂貴么？

在很多的高端鏡頭介紹里，都經常會看到「非球面鏡片」的概念，不少品牌，比如索尼甚至還會以XA等新冠名來凸顯其「超級非球面」，徠卡的ASPH鏡頭也就是非球面英文單詞Aspheric的前四個字母縮寫。那麼非球面鏡片到底是什麼鬼？它是用來幹啥的？能用非球面的一定就是業界良心么？小胖今天就來簡單解讀一下吧。

首先，既然叫非球面，與之對應的概念就是球面鏡片，我們說的凹凸透鏡都是球面鏡片，如上圖：設想有兩個球，一個球的球心在C1半徑為r1，另一個球的球心在C2半徑為r2，如果這兩個球只有部份相交（上左圖），共同的部份就是一個凸透鏡；反之，如果兩個球不相交（上右圖）或一個球包含另一個球，形成一個凹透鏡。一般而言，凸透鏡的中心比邊緣厚，凹透鏡的中心比邊緣薄。

傳統的球面鏡片會產生球面像差：在理想的情況下，所有入射光都應該通過焦點，如圖a，最終可還原為一個點。但與光軸平行的入射光經過球面鏡片後，越靠近邊緣的光線折射後與光軸相交的點會越靠前，如圖b，所以有嚴重球面像差的鏡頭即便是對焦準確，畫面也還是模糊的。而且跟色散一樣，球面像差是整個畫幅內都會發生，並不像慧差像散之類的越往畫面邊緣越嚴重，非球面鏡片對於像散也有一定的校正作用。

而非球面鏡片就是為了校正這一問題而來，上圖為經典的雙凸非球面鏡片，它的主要功能就是把從焦點離散開來的光路重新盡量聚回到焦點上去，當然現代鏡頭都是多鏡片結構，非球面的功能是否能得到發揮一來要看自身工藝，二來鏡頭整體設計和裝配公差也會有非常明顯的影響。

上圖左為球面鏡片成像，圖右為採用非球面鏡片後的成像，可以很明顯地看到成像實度上的區別。從理論上來講，非球面的確是可以給成像銳度帶來質的飛躍，尤其是大光圈下，球差就是最影響畫質的不利因素，這也是為什麼高端大光圈鏡頭都會大量採用非球面鏡片的重要原因，佳能曾經名噪一時的50mm F1.0L甚至使用了2片研磨非球面，那可是在1989年！。

非球面鏡片有鑄模和研磨兩種，前者採用模具鑄造，屬於批量生產型，優點是成本低，像佳能900來塊的餅乾頭40mm F2.8 STM都有一片，所以：非球面≠高貴。但鑄模的缺點是精度以及玻璃冷凝內應力存在瑕疵，換句話說它的性能要遜色於研磨非球面。之前小胖介紹哈蘇相機製造時順帶提到了佳能的鏡頭工藝，今年內像16-35mm F2.8 III這種鏡頭的自動化生產線會提升到80%左右，即便如此，它所採用的3片非球面鏡片里，有1片還是得手工研磨，在工人的操作下一台機床一次才出一片而已，所以生產成本明顯更高，但精度也上了一個檔次。

考慮到足足有近30年的時間差，而且這30年正是精密加工技術騰飛的30年，所以在1989年50mm F1.0能用上2片研磨非球面，甚至還是自動對焦，賣上天價絕不僅僅是「信仰充值」（上圖為佳能EF 50mm F1.0樣張）。

因此，即便大家都叫「非球面」，工藝、尺寸上的差異最終反饋到價格上的區別也非常明顯，從最極致的鏡頭到入門級鏡頭都可能會採用。事實上從高大上的天文望遠鏡、導彈制導系統再普及到我們佩戴的眼鏡，以及曾經的背投電視，都有非球面鏡片的身影，而且非球面並不是什麼新鮮的技術，在瑞典哥特蘭島出土的維斯比鏡就是最早發現的非球面鏡片，11世紀的北歐海盜（維京人）將它當做放大鏡使用，部分工藝精良的還採用銀制底座，打造成工藝品的模樣，如下圖。

如果說維京人算是無意中發現了這種東西還沒有理解到其光學深意的話，有意識地將其打造為鏡頭的設計思潮源自1620年代，1667年第一款3片非球面鏡片組建的鏡頭誕生，熟悉攝影歷史的朋友們應該知道，這比達蓋爾發明相機的1839年足足早了170多年，所以非球面鏡片的初始是為望遠鏡服務的，現代攝影鏡頭的很多基礎技術都源自於古典天文望遠鏡設計，也算是站在了巨人肩上。

說到非球面鏡片在天文領域最經典的應用，施密特折天文照相機算是其中之一了，如上圖，傳統設計的入射光線經由反射面後無法在F點（也就是膠片所在的焦平面）實現聚焦。但若是在C點位置加入一片中心與邊緣厚度更大的非球面鏡片進行校正，得到的結果就是這樣：

這片造型獨特的鏡片就叫做施密特改正板或施密特校正板，最有名的施密特望遠鏡位於美國加州聖地亞哥帕洛瑪山山頂的帕羅瑪山天文台，主鏡口徑達到1.82米，施密特校正板直徑也達到了1.26米，1939年開工1948年建成，已經從最開始的膠片成像改為了12片CCD拼接，校正板也於此前更換為玻璃材質。

除此之外，2009年發射的開普勒類地行星探測器所搭載的光度計，採用的也是施密特望遠鏡結構，下圖就是開普勒光度計的結構圖，右下方圖示所指的就是基於非球面技術的施密特校正板。

而世上第一款用於攝影的量產非球面鏡片是1956年Elgeet公司為16mm膠片電影機製造的Golden Navitar 12mm F1.2，看起來是不是很猛？標準16mm膠片是10.26mm X 7.49mm，全畫幅轉換係數為3.41，所以它佔了小像場+鏡後距短的優勢，有利於做大光圈。在近些年來得益於模具鑄造工藝的成熟，非球面已經非常普及，不僅是剛剛提到的千元內的餅乾頭，各種主流鏡頭裡都有涉獵，佳能F4小三元里的16-35mm和24-70mm里都能看到非球面的身影，各大品牌與之定位類似的鏡頭裡非球面也都是常客。

從精度來說，非球面可以提高畫面銳度，但相應的，也會對焦外光斑形成負面影響，比如知名的洋蔥圈光斑就是非球面鏡片的基本特性，哪怕是被索尼吹上了天的XA超級非球面焦外也是這個樣子，這可是高精度手工研磨的哦：

今天簡單的與大家分享了一下非球面鏡片的歷史沿革和應用面，如果能幫到大家從此正視非球面的好，不被營銷用語給嚇到，小胖寫這篇文章也就算值了，回頭再來聊聊別的鏡片工藝，最後來瞻仰一下50mm F1.0的超級大眼睛吧。

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