当爱因斯坦在1916年发表他的广义相对论的时候，他作出了一个预言，光线可以被引力所弯折。三年以后的1919年，在一次日全食的时候，一个由英国天文学家所组成的考察队在非洲验证了这个假设。他们的做法是对非常靠近太阳的星星所发出的光进行测量和比较。这个发现导致了一个假设，那就是当非常遥远的星体发出的光线受到高密度物体近距离的引力弯折以后，在地球上看就好像通过了一个巨大的放大镜。这种现象就是所谓的引力透镜效应。随着望远镜和观测设备的发展，以及天文学家们的不懈努力，终于在1979年人们发现了一个看上去很像引力透镜的物体。那一年也是爱因斯坦诞辰100周年。

还存在其它一些现象可以使得光线发生弯折，比如反射、折射和衍射。反射是最广为人知的一种弯折光线的方法，在很多领域都有应用，折射在镜头和棱镜里也得到了广泛的应用。而对于衍射，虽然在科学领域它是确定物质晶体结构所必需的方法，但是在商业应用上却很受限制，主要原因是生产衍射光学元件所需要的制造技术极高。

佳能公司的多层衍射光学元件代表了一个革命性的“发现”，它使得将这种元件运用到相机镜头上成为可能。我们通过采访这个项目的工程师，了解到了他们为了这种超群的光线弯折方式所付出的努力。这个伟大的项目包括：光学元件的设计，产品技术的开发以及EF 400mm f/4 DO IS USM 超望远镜头的设计，在这只镜头中衍射现象的特性得到了最大的体现。

中井 雄彦：发现了多层衍射光学元件的原理，并且参与到了它的设计中。

中林 雅昭：主管生产技术的研发，特别是多层衍射光学元件的成型和加工方法。

小川 英树：掌管EF 400mm DO IS USM 超望远镜头的设计工作，这只镜头中运用了多层衍射光学元件，可以用于所有的EOS系列单反相机。

采访和故事：熊本

熊本生于1964年的日本石川县，作为一个科学技术作家，在过去的十年中，他一只追踪着工业技术和制造业的发展前沿。靠着非常坚实的技术背景，他以他那为了得到工程师们不得不面对的底层问题而做出的毫不松懈的努力而著称，他的工作揭示“日本制造”背后的秘密。他同时也是一个柔道黑带(柔道最高级别)选手。

 ——多层衍射光学元件是一个革命性的发明，它听起来好像十分的高深。我希望你能够通过一个相对简单和容易理解的解释来开始我们今天的访谈。

小川：这个产品本身就给出了最简单的解释。你可以看到，这个镜头中的革命性的一点就是它的尺寸。我们通过使用衍射光学元件，达到了对于折射镜头来说不可能达到的紧凑性。

——真是这样吗？可是它们看起来也不小阿...

小川：你可以通过相机的取景器看一下。

——....(拿起相机到眼前...)

小川：真正了解相机和镜头的人通常都会对这一点感到惊奇...

——哇！我的眼球都要爆了！对于一个超望远镜头来说真是够亮的了。(苦笑)

小川：这只镜头上市没有多久，但是我们已经收到了一些用户的反馈，他们说这只镜头的重量非常适合于长时间和大负荷的拍照。我们还从用户那里得知，他们利用这只新镜头可以得到了更多的拍摄机会。

中井：有一个野生鸟类摄影师声称，他甚至可以带着这只镜头在山里的小路上奔跑。

——我明白了。这只镜头可以让摄影师拍到那些以前拍不到的东西。这种特性肯定比图像质量和光学元件容易理解。

小川：其它一些特性，比如图像稳定功能(IS)，可以抵消相机的振动两到三档，而超声波马达(USM)可以实现快速的对焦。除了这些，它跟同类镜头相比还更轻、更短。

——较短的长度使得重心更靠近机身，这就会使得它更容易平衡，对吗？

小川：的确如此！看来你了解自己的摄影装备。(笑)换句话说，这是一只机动性很强的超望远镜头。

——真棒。它的价钱如何呢？

小川：他的价钱也很“棒”，虽然它处于市场的最高端。

——真令人兴奋！(笑)我猜最终的用户肯定是职业摄影师，对吗？

小川：我们最关注的是体育摄影师。有了这只镜头，他们在跟踪拍摄快速运动的场景时就可以把相机拿在手里，而在过去就需要一只三角架或者独脚架。我们差一点没能在盐湖城冬奥会之前做出它来，不过它的发布正好在2002年世界杯足球赛之前。我个人认为，我们已经在某种程度上增加了足球运动的乐趣。

——但是到底什么是多层衍射光学元件呢？它的意思是不是一个有好几个衍射层光学元件？

中井：这里的“多(层)”代表的是粘合在一起的两层，而不是一层。而光学元件指的是一块独立的镜片。用更好懂的词语来描述，多层衍射光学元件可以被称为双层衍射镜片。

——好像明白一点了。

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中井：你应该知道，光线有波动性。衍射可以被用来增加或者消除波动性，从而可以精确的控制光线传播的方向。

——嗯，我想我懂了。

中井：这个原理已经被运用到一些光学测量仪器和光学存取系统上了。但是这种光学元件被用到相机镜头上还是首次。

——为了准备这次采访我查了一些资料，我通过网络了解到，你曾经因为这只镜头得到了一个“卓越日本学术奖”，并且你被邀请去做了演讲。读了你的演讲摘要后我还是很糊涂，但是我得出了一点，那就是这只镜头是一个革命性的发明。你也因此被冠以中井教授，是不是我也应该这样称呼你呢？(笑)

中井：这真的很令人为难。(笑)在聚光灯下我的脸都发紫了，但是大多数的反应都是对于制造部门的褒奖。(笑)毕竟，这种光学元件真的是太难制造了。

——这就是那个光学元件吗？

中井：对。第一眼看上去，他好像一个普通的凹透镜，但是如果你靠近一点看，你就会看到同心圆样式的斑纹。

——我看到了！是的，我看到了。靠近中心的斑纹刻的有点粗，越往边缘就越细，到了最外缘就几乎看不到了。

中井：总共有大约150条斑纹。通过调节斑纹的宽度我们就可以让它像普通的镜片那样汇聚光线。宽度越窄对光线的弯折也就越强烈。

——你前面提到过有两层粘合在一起，那么是否我所看到的斑纹应该是150的两倍？

中井：不是这样，两层中的斑纹完美地重合在了一起。

——完美的重合？但是这两片镜片应该是单独制造，然后再粘合，对吧？那么这个重合能有多“完美”？

中井：可以到微米量级。存在的误差用裸眼是看不出来的。

——将两个单独的镜片那么完美地组装到一起一定非常困难，我可以想象你们为了达到这个要求，一定付出了超人的努力。

中井：困难之处在于，计算出哪种斑纹式样可以达到我们想要的光学性能，并且如何按照设计制造出镜片来。

——我不得不承认这是一个成就。在设计阶段你们的目标是什么？

中井：目标？首先我必须确定这种镜片是否真的可以做出来。

——那应该是最根本的问题。(笑)

——那么这些斑纹到底是用什么做的呢？

中井：它是用一种特殊的树脂模铸的。从一个放大的截面图上我们可以看到像锯齿一样的突起。这些突起在正面看就是环形的斑纹。

－这些就是镜片截面中的斑纹了？

中井：对。为了做好这些斑纹，我们费了很大的劲。但是在我们做它们之前寻找制作的原料也是一项很困难的工作。不过这部分是由另外一些人做的。

——那是中林君的工作？

中林：对，我掌管这些原料的购买和成行。

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——中井君说了，一种特殊的树脂用来制作这些突起的斑纹。到底怎么个特殊法？

中林：中井君告诉我他需要什么样的性能，然后让我寻找符合这些条件的材料。我首先做的事情就是去找一家化学品公司。但是他们的回答是：“你在地球上不可能找到像那样的材料” 或者 “或许只能在液态下才可得到这种性能”。

——哦，不！

中林：我们需要的是一种可以达到某种光学特性的模铸材料。但是，那种材料真的不存在。

——但是这枚镜片就在我面前，所以这种材料肯定存在于地球的某个地方...

中林：我不停的寻找。这种材料需要具备的诸多特性中的一项就是大的色散...

——什么意思？

中井：我们需要的材料对于不同波长的光线所造成的弯折应该有很大的差别。

——这是不是跟色散或者其它某些东西有关？

中井：没有其它。我们需要一种有很大色散的材料。

——但是在普通的镜头中，色散大的光学材料不是一点用都没有吗？

中林：这就是它为什么这么难找的原因！化学品公司经常花费大量的时间，来研究色散尽可能小的材料。而我们需要的正好相反。

——换句话说，你不得不继续寻找合适的材料？

中林：我查看了所有可获得的资料。一次，当我得到了一个线索并且联系了相关的公司后，我被告知有关的研究工作已经被停止。有一些研究者们在一二十年前曾经非常努力的投身于这种材料的研究工作，但是这是一个非常复杂的领域，并且是否能够收回投资成本还是个问题。很多这样的项目都被停止了。我询问了一些公司，问他们是否可以为我们做一下尝试，但是我得到的大多数的回答是：“佳能公司准备资助资这些研究吗？”或者“或许下次可以吧。”

——都不是你想要的答案。

中井：但是这确实是我们需要的光学特性。没有它我们的设计就无从谈起...

中林：我在所有的产品目录和规格说明书中都找不到合适的材料。每次我向那些化学品公司阐述中井君的要求时，都要来来回回好多次。最后我不得不带给中井君负面的回应，比如这个要求是“荒诞的”、“不可能的”或者“难以实现的”。

——换做我可能就要放弃了。你找了多少家公司？

中林：如果你包括那些忙地不可开交的公司，以及在业界中处于领先地位和中等水平的公司。我还去了一些小的公司。最后我找到一家最顶尖的制造厂商。当然他们也没有我们想要的现成材料，不过他们有一种正处在研究阶段的材料符合中井君的设计规格。

——但是大的化学品公司只做大批量的买卖，对吧？

中林：你说对了。他们问我佳能公司每月会买几吨这样的材料，这可让我怎么回答呢？

中井：对于每一个镜片我最多需要0.6克。即使是1克，那么制造100枚这样的镜片也只需要100克，要是1000枚的话就是1公斤。如果我们以吨来计算的话那么...(大笑)

中林：我想这个公司最后看到了我们的需求潜力。颇有一些化学品公司已经加快了他们的脚步，目的是造出世界上最好的材料。跟我讨论过的一个工程师说：“我真的很想设法造出这种材料，所以请你们提出尽可能清晰的要求。”

——你好像成了一个从犯。(大笑)

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中林：当你和其他一个工程师接触的时候，他们经常对你所要制造的东西非常感兴趣，从而会引起一场非常活跃的讨论。当然，我不能跟他谈论整个项目，于是我们经常互相试探。但是整个讨论的结果总是大量的需求。我始终希望我能够需要一吨或两吨，甚至更多。

——真荒谬！(笑)

中林：开始的时候，甚至连我们自己都不知道这个项目可以走多远。

——可是最后，你们的讨价还价导致了一种新材料的诞生。

中林：是的。我们从那家公司得到了第一批样品后，我们才有了无论如何必须成功的感觉。这个材料本身也是通过对不同的特性进行“讨价还价”而得到的。随着各种可能性的缩小，这个公司制造出了大量的拥有细微成分差别的样品。

——这种材料是不是只使用在这一种镜头上？

中井：对，目前世界上唯一的镜头。如果这种材料可以轻易获得的话，我们的竞争对手或许也已经制造出了同类产品。我对于中林君的工作非常感激。

——我还有一个重要问题没有问。为什么衍射光学镜片要两片一起使用，而不是一片？

中井：在回答这个问题之前，先让我解释一下衍射本身。通常的镜头是利用折射来弯折光线(RGB)的，而折射对于红光的弯折比较困难。如果你见过棱镜的分光效应你就会理解我的意思。红色波段的光线有更长的波长，弯折起来比蓝色和绿色波段的光线更难。

——对于衍射光学镜片会是什么情况呢？

中井：红色波段的光线比另外两个波段的光线弯折地更厉害。弯折的效果依赖于波长，因为红色波段的光线有更长的波长，所以衍射光线的角度会更大。

——你所说的就是，衍射所造成的光线弯折跟折射所造成的光线弯折效果正好相反？我想我开始明白了。

中井：为了消除色差，传统折射镜头不得不使光线先通过一个强烈汇聚的凸透镜，然后再通过一个凹透镜。而通过使用衍射光学镜片，消色差的效果会更好，所以就没有必要再使用凹透镜了。并且光线也没有必要先被强烈地汇聚。

小川：这就使得镜头系统的设计更加容易。并且通过使用衍射光学镜片，我们可以单独地对色差进行调节，而不会影响到球差。

——这种镜片真是不错。但是为什么非要用两片？

中井：答案应该是，“因为一层的衍射效果不能达到我们的要求。”当我们只用一层来对光线进行弯折的时候，光线不仅向我们需要的方向弯折，而且也会往相反的方向弯折。当用在镜头里的时候，就会出现重影。

——那可真不妙。

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中井：用在光学检测系统或者光学测量仪器中的衍射光学镜片只需要处理激光，而激光的波长都是单一的。因此衍射光学镜片可以针对特殊的波长进行设计。但是对于照相机的镜头就不同了，它们处理包括了各种波长的自然光。当我们在第一片镜片之后再放置另外一片镜片，就可以阻止不想要的情况发生。这就是我们为什么需要高色差的材料的原因。这也是这个项目背后的基本思想。

——但是，根据衍射理论，将两个衍射层靠近不是应该完全依据光线的波长吗？

中井：是的。在两层的最近处，栅格之间的距离只有几个微米。也就是波长的两倍到三倍。两层栅格之间的定位，以及两层之间空隙的宽度和高度都必须严格地符合设计要求。

——精度真高！

中井：这关系到这种衍射镜片可不可以做出来的问题。我们找到了需要的材料，所以接下来的障碍就是如何用模具实际地制造出这种镜片。

——超精密模具的制造是日本工业界的核心竞争力。这是一个关键领域。

中井：并且用于镜片的模具需要更高的精度。通常，切割成型的模具需要通过抛光来达到需要的精度。但是对于制造衍射光学器件的模具，抛光工艺将会损坏栅格的突起，这就意味着我们不得不直接通过切割工艺来达到需要的精度。我们花费了六个月的时间来重复地进行模具切割、冲压成型以及样品的测量，直到我们达到了需要的精度要求。

——模具的制造很费时间吗？

中井：制造过程本身需要的时间很短。但是准备工作比较费时，从开始调整、预热设备，到所有人都离开操作车间后的等待时间。我们必须消除掉任何影响模铸精度的因素，比如温度的波动和进入操作车间的人的体温所造成的负面影响等。

——并且你们必须消除掉所有的外界震动？

中井：当然。有一次，我们的大楼外面进行道路施工，这就迫使我们只有周末才能来工作，因为周末没有施工。

——切削模具所用的刀具上的刀口是不是也是超高精度的？

中井：我们使用了金刚石刀具。为了达到我们需要的精度，我们使用了可得到的最高质量的金刚石。我们甚至考虑到了金刚石晶体每个晶面的朝向。模具的制造跟镜片的设计工作不在一个地方完成，为此我不得不两头跑...

——设计师通常并不需要去参观模具制造车间。

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中井：你说的对。实际上，每次我去那里的时候，都要到附近的一个菩萨庙参拜(希望模具可以成功制造出来)... 之后我就会在制造车间得到一只做好的模具，然后通知中林君。

中林：镜片冲压成型小组就会使用这只做好的模具，做出一块有很多同心圆栅格的衍射镜片。

——你们使用了一种可以在紫外线下凝固的树脂？

中林：是的。当这些树脂固化以后，我们会非常小心地将它们和模具分离开，以避免砰坏栅格。最细微的疏忽都会损坏微米量级的栅格突起，即使一个小的划痕也会使得整个模具报废。时时刻刻都非常紧张。

中井：刚开始的时候，我们甚至都要说：“我们马上就要成功了！这正是我们需要的性能。”但是随着整个过程一边一边的重复，每一个人都变得紧张起来。我们可能用某种方法成功一次，但是不能用同样的方法成功第二次。

中林：即使所有的检测结果都显示正常值，有时候人眼所感知的跟预期还是有细微的差别。我们已经验证了这么一个事实，那就是一个专家的感知力比精细的测量仪器更灵敏。

中井：我们本打算使用一台电子或原子力显微镜来进行检测，但是这块衍射镜片的直径有100mm。没有一台具有那么高精度的显微镜可以放下这种尺寸的样品。更重要的是，这些高精度显微镜都是用来检查平滑表面的。而这个镜片有一个布满栅格的表面，并且是曲面的。此外，如果在检测的过程中碰坏了镜片，我们就遇到大麻烦了。

小川：如果你把这个镜片想象成一个直径10公里的城市，那么允许的表面粗糙度就大约相当于一张纸的厚度。镜片的表面必须这么光滑。

中林：衍射栅格的高度，或者说栅格的墙壁，是7.9和10.7微米。放大到10公里的小城范围来看，它就相当于79cm和107cm，所有的这些“墙”都不能是78cm或者108cm。同时不能有哪怕一块石头能掉进下水道里，而每堵墙上也不能有任何的胡写乱画。

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小川：任何小的失误都会立刻引起眩光。

——我无话可说了。

中井：就技能来讲，模具制造和压铸成型都是重中之重。从事这一类工作的技师，他们可以在一轮调整中就将切割仪器的定位精度控制在一个微米之内。

——真是为特殊的模具而出现的特殊的人。你可能会得到比设计更好的性能？(笑)

中井：当然，你会觉得这种技师一定会给出你好的结果。

——小川君，你说过这种衍射光学镜片可以使得镜头系统的设计变得简单。到目前为止跟传统镜头有什么区别呢？

小川：我这里要提到阿贝值，一个跟色差有关的量。镜头设计师总是努力寻找阿贝值低的材料。对于阿贝值高的材料，比如萤石，色差会比较小，但是如果你想将镜头设计的更紧凑一些时，跟其它类型像差的平衡就比较困难。

——萤石是一种很优秀的镜片材料。你的意思是当你想将整个镜头单元变得小一些的时候，会遇到某些特殊的问题？

小川：是的。另一方面，具有小阿贝值的材料会产生比较强的色差，但是在减小镜头尺寸时其他像差会比较小，而且色差可以被控制在一个比较大的范围内。

——衍射光学镜片的阿贝值趋近于零？

小川：非常接近零。实际上，这个值是负的。

——哦，真是奇妙的镜片。

小川：负阿贝值的材料允许我们同时调整表面中心的色差(轴向色差)和周边的色差(横向色差)。

——是不是以前不存在类似的镜片？

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小川：根本没有。当然，一定程度的相关设计理论还是需要的，但是衍射光学镜片在解决这个镜头设计师们所面对的最困难的问题中起了关键作用。结果是，以前不能被利用的轻量的和廉价的玻璃，现在成了镜头系统中有用的一部分。在我们的第一次尝试中，我们最大程度的发挥了这种镜片的能力，制造出了紧凑的轻量的超望远镜头。

——镜头设计师们所期待的镜片。

小川：我的第一个想法就是我们达到了光学元件的理想状态。使用衍射光学镜片来消除色差的概念已经有好几十年了。如果不出现那些古怪的色斑的话，这种镜片可能早就被当成一只“绩优股”了，但是事实并不是这样。这个项目中一个非常关键的因素就是通过两层结构消除了这种光斑。

——这是一个巨大的发现。你什么时候有这种想法的，中井教授？

中井：请把“教授”去掉。(笑)如果我没有记错的话，我经常走来走去地想：“什么是衍射？为什么光线会被弯折？” 每当遇到闪动的灯光时我都会停下来。我想我曾一度使得我周围的人感到奇怪。

——然后就有一个东西击中了你，就像落到了牛顿头上的那个苹果一样，或者你脑子里灵光一闪？

中井：嗯，那时候我正好结婚，还是挺有戏剧性的。

——有句话不是说男女搭配干活不累吗，就像镜片中的双层结构。(笑)小川君，你说过你的目标就是制造出一只紧凑的、轻量的超望远镜头。接下来呢？

小川：一只广角镜头。衍射光学镜片就像天赐之物，可以完全的消除色差，这点萤石都比不上。我现在觉得，它是唯一的可以在广角镜头中消除色差的光学元件。

——因此用不了多长时间我们就可以看到使用了衍射光学镜片的广角镜头，用于数码相机的镜头，和变焦镜头...

小川：这是一种拥有很多可能性的光学镜片。

中林：现在的衍射光学镜片就像一个手工产品。我们还必须在制造技术上有所改进。

——我希望你们能够尽快以吨为单位来定购那种材料。(笑)