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另一種特殊鏡片元件是非球面鏡片。Canon L 系列鏡頭的高效能和清晰的影像解析度，都要歸功於這些經過特殊處理的鏡片，它們提供了真正革命性的光學特性。非球面鏡片能呈現令人驚艷的銳利度與鮮明細節，彷彿揭開了一層面紗，將鏡頭後方真實可見的世界完整顯現。在很長一段時間，非球面鏡片只是光學工程師的夢想，因為實際製作非常困難。非球面鏡片有別於傳統球面鏡片，需在光軸處將鏡片元件的部分球面切除。然而，這些鏡片過去由於無法在同一焦點匯聚平行光線，而在理論上受到限制。解決方案在於製造一種具有理想曲率的非球面鏡片，使平行光線能精準匯聚於單一焦點。
在某些非球面鏡片設計中，非球面程度非常微小。肉眼看來，它與球面鏡片完全相同。由於曲度非常微小，精密加工公差必須計算到 0.1 微米（1/10,000 公釐）以內。儘管當時關於量產的某些問題尚未完全解決，但 Canon 還是於 1971 年推出了 FD55mm f/l.2 AL。這在當時是全球首款使用研磨非球面鏡片元件的單眼相機鏡頭（無反光鏡鎖定機制）。研磨非球面鏡片屬於極高精度鏡片，透過對每片玻璃進行研磨拋光，精準塑造出完美曲面。此種加工技術可應用於各類玻璃材質，從而讓製造商能夠製造出大直徑且球面位移大的非球面鏡片。這款鏡頭大受歡迎，促使 Canon 增加產量，並加快進行非球面鏡頭的研究。僅僅兩年後，公司就推出了世界首台奈米級量產設備，公差小於百萬分之一公釐。
鏡片的拋光精度可達 0.02 微米，相當於可見光波長高度的 1/32。如此嚴格的精度要求，可確保鏡片能提供僅有 L 系列鏡頭才能達到的高光學效能。
非球面鏡片製造技術持續演進。1980 年代，Canon 開始研發大直徑玻璃模造（GMo）非球面鏡片，並於 1985 年成功將這些元件投入實際使用。玻璃模造技術使用高溫熔融玻璃和非球面高精密金屬模具，以達到優越的表面公差。2007 年，這項技術被用於製造首個凹面非球面鏡片。同一技術也應用於現今許多 RF L 系列鏡頭。
Canon 研發的複製非球面鏡片可滿足多元需求，該鏡片於 1990 年為 EF 鏡頭系列開發，具備尺寸與球面基礎鏡片材料選擇上的高度設計自由度。在 RF 鏡頭系列中，RF24-105mm F2.8 L IS USM Z 也採用了複製非球面鏡片。製程改進讓複製非球面鏡片的表面精度已超越 EF 鏡頭時期。除了提供更高的光學設計自由度，新鏡頭尺寸也更小，同時具備 24mm-105mm 焦距，並於明亮的 f/2.8 光圈下維持一致性能。
高溫熔融玻璃和非球面鏡片。