光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

超長(zhǎng)焦鏡頭中，APO鏡頭幾乎是高檔鏡頭的代名詞。APO，是英文Apochromatic的縮寫(xiě)，意為“復(fù)消色差的”。所謂螢石鏡片、AD玻璃、UD玻璃、ED玻璃，說(shuō)到底，都是為了實(shí)現(xiàn)APO技術(shù)所用的特殊光學(xué)材料。 復(fù)消色差鏡頭，是指能對(duì)多種色光(超過(guò)兩種)消除色差的鏡頭。 消色差鏡頭(Chromatic)只能對(duì)兩種色光消色差。

　　色散：光學(xué)材料的折射率不但與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還與光線(xiàn)的波長(zhǎng)有關(guān)。同一種光學(xué)材料，波長(zhǎng)越短、折射率越高。具體講，同一種光學(xué)玻璃，綠光比紅光折射率高，而藍(lán)光比綠光折射率高。不同光學(xué)材料往往有不同的色散。如果一種材料隨著波長(zhǎng)變化引起折射率變化很大，我們就說(shuō)這種材料是“高色散”的。反之，則稱(chēng)為“低色散”。一般用ne(材料對(duì)綠色的e光的折射率)表示材料的折射率，用阿貝數(shù)ve=(ne-1)/(nF-nc)表示材料的相對(duì)色散。阿貝數(shù)越高，色散越小。式中，第二個(gè)字母是下標(biāo)，表示夫朗和費(fèi)對(duì)應(yīng)譜線(xiàn)的波長(zhǎng)。F是紅光，e是綠光，c是藍(lán)光。每一條夫朗和費(fèi)譜線(xiàn)都有固定不變的波長(zhǎng)，因而成了光學(xué)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)。

　　色差：從幾何光學(xué)原理講，鏡頭等效于一個(gè)單片凸透鏡。凸透鏡的焦距，與鏡面兩邊曲率和玻璃的折射率有關(guān)。如果鏡片形狀固定，那就只與制造鏡片材料的折射率有關(guān)了!由于光學(xué)材料都有色散，因此，同一個(gè)鏡片，對(duì)于紅光來(lái)說(shuō)，焦距略微長(zhǎng)一點(diǎn);對(duì)于藍(lán)光來(lái)說(shuō)，焦距略為短一點(diǎn)。這就叫做“色差”。

　　有了色差的鏡頭，具體講有這么幾個(gè)缺點(diǎn)：

　　1.由于不同色光焦距不同，物點(diǎn)不能很好的聚焦成一個(gè)完美的像點(diǎn)，所以成像模糊;

　　2.同樣，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，畫(huà)面邊緣部分明暗交界處會(huì)有彩虹的邊緣。

　　消色差：利用不同折射率、不同色差的玻璃組合，可以消除色差。例如，利用低折射率、低色散玻璃做凸透鏡，利用高折射率、高色散玻璃做凹透鏡，然后將兩者膠合在一起。為了使兩者膠合后仍然等效于一個(gè)凸透鏡，前者(凸透鏡)屈光度要大一些，后者(凹透鏡)屈光度要小一些。我們分析這樣的雙膠合鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光線(xiàn)的作用：對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)，由于凹透鏡材料色散大、也就是折射率隨著波長(zhǎng)變化大，所以折射率比中間波長(zhǎng)較小，凸透鏡起的作用大，雙膠合鏡長(zhǎng)波端焦距偏長(zhǎng)。對(duì)于較長(zhǎng)波短的光線(xiàn)，由于凹透鏡色散大、也就是折射率隨著波長(zhǎng)變化大，所以折射率較大，凹透鏡起的發(fā)散作用大，雙膠合鏡短波端焦距也偏長(zhǎng)。最后的結(jié)論是：這樣的雙膠合鏡中間波長(zhǎng)焦距較短、長(zhǎng)波和短波光線(xiàn)焦距較長(zhǎng)。很明顯，中間波長(zhǎng)是一個(gè)谷，它的周?chē)咕嘧兓《嗔?設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料，可以使藍(lán)光、紅光焦距恰好相等，這就基本消除了色差。剩余色差對(duì)于廣角到中焦鏡頭來(lái)說(shuō)，已經(jīng)很小了，因此，也就滿(mǎn)足了鏡頭消色差的要求。

　　二級(jí)光譜：未消色差的鏡頭隨著光線(xiàn)波長(zhǎng)增加，焦距單調(diào)上升，色差很大。而消色差鏡頭焦距隨波長(zhǎng)先減小后增加，色差很小。消色差鏡頭的剩余色差就叫做“二級(jí)光譜”! 二級(jí)光譜引起的不同色光焦距變化不可能小于焦距的千分之二，也就是說(shuō)，鏡頭焦距越長(zhǎng)，消色差越不能滿(mǎn)足要求。對(duì)鏡頭質(zhì)量要求較高時(shí)，超長(zhǎng)焦消色差鏡頭的二級(jí)光譜已經(jīng)不可忽視!為了進(jìn)一步消除二級(jí)光譜對(duì)鏡頭質(zhì)量的影響，引進(jìn)了復(fù)消色差技術(shù)。

　　復(fù)消色差：可以想象，如果某種材料隨波長(zhǎng)變化折射率的數(shù)值可以任意控制，那么我們一定能夠設(shè)計(jì)出色差處處完全補(bǔ)償、因而完全沒(méi)有色差的鏡頭!可惜，材料的色散是不能任意控制的，而且可用的光學(xué)材料也就那么有限的若干種!我們退一步設(shè)想，如果能夠?qū)⒖梢?jiàn)光波段分為藍(lán)-綠、綠-紅兩個(gè)區(qū)間，而這兩個(gè)區(qū)間能夠分別施用消色差技術(shù)，二級(jí)光譜就能夠基本消除!但是，不幸的是，經(jīng)過(guò)計(jì)算證明：如果對(duì)綠光與紅光消色差，那么藍(lán)光色差就會(huì)變得很大;如果對(duì)藍(lán)光與綠光消色差，那么紅光色差就會(huì)變得很大!看起來(lái)似乎走進(jìn)了一個(gè)死胡同，頑固的二級(jí)光譜好像沒(méi)有辦法消除!

　　幸好理論計(jì)算為復(fù)消色差找到了途徑。人們發(fā)現(xiàn)，如果制造凸透鏡的低折射率材料藍(lán)光對(duì)綠光的部分相對(duì)色差恰好與制造凹透鏡的高折射率材料的部分相對(duì)色差相同，那么實(shí)現(xiàn)藍(lán)光與紅光的消色差之后，綠光的色差恰好消除!這個(gè)理論指出了實(shí)現(xiàn)復(fù)消色差的正確途徑，就是尋找一種特殊的光學(xué)材料，它的藍(lán)光對(duì)紅光的相對(duì)色散應(yīng)當(dāng)很低、而藍(lán)光對(duì)綠光的部分相對(duì)色散應(yīng)當(dāng)很高且與某種高色散材料相同!螢石就是這樣一種特殊材料，它的色散非常低(阿貝數(shù)高達(dá)95.3)，而部分相對(duì)色散與許多光學(xué)玻璃接近!

　　熒石(即氟化鈣，分子式CaF2)折射率比較低(ND=1.4339)，微溶于水(0.0016g/100g水)，可加工性與化學(xué)穩(wěn)定性較差，但是由于它優(yōu)異的消色差性能，使它成為一種珍貴的光學(xué)材料!自然界能用于光學(xué)材料的純凈大塊螢石非常少，因而螢石最早僅用于顯微鏡中。顯微鏡物鏡雖然焦距很短，但由于像距很大、分辨率要求很高，二級(jí)光譜仍是個(gè)頭痛問(wèn)題。自從螢石人工結(jié)晶工藝實(shí)現(xiàn)以后，高級(jí)超長(zhǎng)焦鏡頭中螢石幾乎是不可或缺的材料，螢石鏡片幾乎成為高檔鏡頭的代名詞! 由于螢石價(jià)格昂貴、加工困難，各光學(xué)公司一直不遺余力的尋找螢石的代用品。氟冕玻璃就是其中一種。各公司所謂AD玻璃、ED玻璃、UD玻璃，往往就是這一類(lèi)代用品。

　　很明顯，由于復(fù)消色差材料價(jià)格昂貴、加工困難，成本非常高，所以只能用在高檔鏡頭上。相應(yīng)的，這些鏡頭其它方面的設(shè)計(jì)也一定與其價(jià)格匹配，都是精益求精的。但是，如果有價(jià)格相對(duì)低廉的復(fù)消色差材料，即使性能差一些，也使它們能夠用在中檔鏡頭上，改善這些鏡頭的性能。但是，至少就么目前而言，中檔鏡頭是不可能使用螢石做消色差材料的!

　　低色散玻璃：低色散玻璃產(chǎn)生的色差很小、因而消色差之后剩余色差也比較小，對(duì)鏡頭質(zhì)量改善非常有益。同時(shí)，近些年來(lái)，一系列高折射率低色散玻璃(主要是鑭系稀土玻璃)的采用，鏡頭質(zhì)量進(jìn)一步提高。高折射率玻璃實(shí)現(xiàn)同樣的屈光度鏡片球面曲率較小，因而帶來(lái)的各種像差尤其是球面像差減小，使得鏡頭體積減小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、質(zhì)量提高。但是，它畢竟不能實(shí)現(xiàn)復(fù)消色差，無(wú)法消除二級(jí)光譜，不能與APO技術(shù)相提并論。