Một loại thấu kính đặc biệt khác là thấu kính phi cầu. Các ống kính dòng L của Canon đạt được hiệu suất cao và độ phân giải hình ảnh sắc nét chính là nhờ vào những thấu kính được xử lý đặc biệt này, mang đến những đặc tính quang học thực sự mang tính cách mạng. Thấu kính phi cầu đem lại độ sắc nét ấn tượng và chi tiết sống động đến mức người ta có cảm giác như một tấm màn đã được vén lên, để lộ ra thế giới rõ ràng phía sau ống kính. Trong nhiều năm qua, thấu kính phi cầu từng chỉ là giấc mơ của các kỹ sư quang học, bởi việc chế tạo chúng vô cùng khó khăn. Khác với thấu kính thông thường có bề mặt cầu, thấu kính phi cầu có phần bề mặt cầu bị cắt bớt tại trục quang học. Tuy nhiên, loại thấu kính này có các giới hạn về mặt lý thuyết do không thể hội tụ các tia sáng song song vào cùng một tiêu điểm. Giải pháp là phải tạo ra được một thấu kính phi cầu có độ cong lý tưởng, có thể hội tụ các tia sáng song song tại một tiêu điểm duy nhất.
Một số thiết kế thấu kính phi cầu có độ “phi cầu” rất nhỏ, đến mức trông giống hệt như thấu kính cầu khi nhìn bằng mắt thường. Độ cong của thấu kính phi cầu tinh vi đến nỗi quy trình gia công đòi hỏi độ chính xác nằm trong dung sai 0.1 micron (tức 1/10,000 của một milimét). Dù vẫn còn một số vấn đề liên quan đến quá trình sản xuất hàng loạt chưa được giải quyết triệt để, nhưng Canon đã cho ra mắt ống kính FD55mm f/l.2 AL vào năm 1971. Đây là ống kính máy ảnh SLR đầu tiên trên thế giới (không có cơ chế khóa gương) sử dụng chi tiết kính phi cầu mài. Thấu kính phi cầu mài là loại thấu kính phi cầu có độ chính xác cực kỳ cao, được tạo hình hoàn hảo thông qua quá trình mài và đánh bóng từng miếng kính riêng lẻ. Phương pháp gia công này có thể áp dụng cho nhiều loại kính khác nhau, cho phép nhà sản xuất tạo ra các thấu kính phi cầu có đường kính lớn và độ lệch lớn so với bề mặt cầu. Sự đón nhận nồng nhiệt dành cho ống kính này đã thúc đẩy Canon mở rộng sản lượng và đẩy mạnh nghiên cứu về thấu kính phi cầu. Chỉ hai năm sau, công ty đã giới thiệu thiết bị sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới đạt độ chính xác ở cấp độ nanomét (với sai số nhỏ hơn một phần triệu milimét).
Thấu kính được đánh bóng với độ chính xác cực cao, chỉ 0.02 micromet, tương đương với 1/32 chiều cao của bước sóng ánh sáng nhìn thấy được. Độ chính xác khắt khe này đảm bảo thấu kính có hiệu suất quang học vượt trội, chỉ có ở các ống kính Dòng L.
Công nghệ sản xuất thấu kính phi cầu phát triển liên tục. Vào những năm 1980, Canon bắt đầu nghiên cứu và phát triển thấu kính phi cầu đúc bằng thủy tinh (GMo) có đường kính lớn, và đến năm 1985, công nghệ này đã được ứng dụng thành công vào thực tế. Công nghệ đúc bằng thủy tinh sử dụng thủy tinh nung chảy ở nhiệt độ cao và khuôn kim loại phi cầu có độ chính xác cao để tạo ra bề mặt thấu kính có khoảng dung sai ưu việt. Đến năm 2007, công nghệ này tiếp tục được áp dụng để chế tạo thành công thấu kính phi cầu lõm đầu tiên. Hiện nay, công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ống kính RF dòng L.
Một loại thấu kính phi cầu của Canon có khả năng đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau là thấu kính phi cầu bản sao, được phát triển cho dòng ống kính EF từ năm 1990. Loại thấu kính này có tính linh hoạt cao trong thiết kế, cho phép thay đổi về kích thước cũng như loại vật liệu làm phần nền cầu của thấu kính. Trong dòng ống kính RF, mẫu RF24-105mm f/2.8L IS USM Z cũng sử dụng thấu kính phi cầu bản sao. Nhờ cải tiến trong quy trình sản xuất, thấu kính phi cầu bản sao có độ chính xác bề mặt cao hơn so với các thấu kính EF. Bên cạnh việc mang lại sự linh hoạt hơn trong thiết kế quang học, kích thước của thấu kính mới cũng được thu gọn, trong khi vẫn duy trì dải tiêu cự 24 mm–105 mm với khẩu độ sáng f/2.8 nhất quán.
Thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ cao và thấu kính phi cầu.
