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方寸间的光学极致 解析EF镜头尖端科技

导读: 在镜头设计过程中,工程师会遇到两个指标的平衡——光学素质和镜头的体积,理论上越高画质的镜头,它的体积就庞大。因此大家看到的高级镜头外形普遍是非常威猛,重量也是非常惊人的。

  第1页:探索完美镜片——DO镜片

  光学技术是一门非常精湛的科技,它之所以诱人,之所以被很多人称道,源于这是一类结合了传统工艺和现在想法的东西。相机有千百种,但是经典的光学结构和设计就这么几个,因此,在有限的物理学定律中,不断提升和改良光学镜头的性能,缩小他们的体积,任何一个进步都可以说是百尺竿头更进一步的成就。接下来笔者就以佳能EF镜头为例,为大家讲述一下一些当下还非常神秘的镜头黑科技!

  

  ·探索完美镜片——DO镜片

  在镜头设计过程中,工程师会遇到两个指标的平衡——光学素质和镜头的体积,理论上越高画质的镜头,它的体积就庞大。因此大家看到的高级镜头外形普遍是非常威猛,重量也是非常惊人的。未来镜头发展的一个方向和汽车非常相似,就是在提供更好性能的情况下,尽量减少重量。

  

  佳能EF 400mm f/4 DO IS II USM镜头的体积控制非常出色

  而随着技术的发展,当各种蕴含着高科技的镜片被发明出来,镜头和种类和性能获得了长足的发展。其中DO镜片(多层衍射光学镜片)无疑是一个非常有前景的方向!作为第一款采用DO镜片的全画幅自动长焦镜头,佳能400 DO(第一代大绿)首先将400mm焦距的大光圈镜头重量控制在了2000g以内!同时70-300mm DO镜头更是将全画幅长焦镜头做到了10cm级别,甚至比大家常见的55-250套头还要短不少。

  

  DO镜片在光学特质上是非常“梦幻”的,首先它具备和非球面镜片相似的成像特性,简单的说就是无论是放大和缩小都不会有明显的畸变;其次理论上DO镜片可以通过改变它衍射光栅(纹路)的样式,做到在一定范围内调整光线通过镜片的角度(既可以自由调整角度,又兼顾了非球面镜的成像特征,实在是相当理想)而在佳能官网上,厂商甚至明确指出“DO镜片的光学特性是超越萤石和UD镜片的”。

  DO镜片的加入可以有效缩减镜头体积

  在目前的应用中,普遍厂商使用多层衍射镜片的原因是利用它和普通镜片相反的色散特性。普通镜片产生的色散是蓝绿光这样的短波长可见光在靠近镜头的方向,而红色这样的长波长光线在远离镜片的方向;而多层衍射镜片则具备相反的效果,红色散靠近镜片,绿蓝色散远离。大家看图片会更加容易理解!

 

  

  受制于很多因素,目前阶段多层衍射镜片的制造和应用都显得非常保守,并且这类镜片还有很多特性没有被体现到现实应用中(比如理论上可以随意改变光线角度)。体现在产品中,即便是目前在此项技术上做的最成熟的佳能,也仅前后推出了三只DO镜头。但这已经足以体现出了DO镜片的强大实力,感兴趣的朋友个可以找个附近的体验店去亲身试用一下。

  第2页:镀膜黑科技——SWC亚波长镀膜

  ·镀膜黑科技——SWC亚波长镀膜

  镜头镀膜技术早在百年前就被发明出来,而三次比较大的革新分别发生于1935年前后,单层氟化镁抗反射镀膜的应用;1975年前后,一批如蔡司T*,宾得SMC等等这一系列少则5-6层多则7-8的多层复合镀膜;而第三次镀膜技术革新正在进行中,近十年的时间中,一些“纳米级别”的镀膜正在悄然兴起,被应用到越来越多的镜头中。今天主要为大家介绍两种非常神奇的镀膜——SWC亚波长镀膜和ASC空气球形镀膜。

  ASC空气球形镀膜原理图

  方寸间的光学极致 解析EF镜头尖端科技

  SWC亚波长镀膜原理图

  镀膜的一个非常重要的作用就是减少反射,尽量所有的光线都通过镜片按照镜头设计的光路去走。尤其要避免的是无规律的反射,是对画质致命的伤害。而镜片弧度越大,发生无规律反射的可能性就越大,因此传统的镀膜技术很难做到有效抑制反射。这时候,就必须依赖特殊的技术来解决这些特殊镜片。

 

  

  SWC镀膜是一项基于仿生学原理的技术,科学家发现某些夜行昆虫的眼睛有着非常低的反射率,原因是他们的眼睛表面存在一些纳米级的微小不平整,因此借助这些不平整可以非常明显抑制反射光。

  亚波长结构镀膜(SWC)在镜头表面形成一个小于可见光波长的楔形显微结构,这种结构能够持续改变折射率,从而消除折射率会突然改变的边界,能够实现比蒸气镀膜更理想的抑制反射效果。蒸气镀膜是镜头表面形成的一层小于可见光波长的薄膜,可以抑制光线反射,但随着光线入射角的增大,它的效果也会随之下降;而采用亚波长结构镀膜(SWC),即使光线入射角大,其防反射的效果依然出色。

  

  佳能11-24mm镜头具备两组SWC结晶镀膜和ASC空气球形镀膜!

  在实现原理上,SWC镀膜采用的非常特殊的结晶方式(可以简单的理解为北方冬天结霜的样子),并非常见的化学染色,或者是蒸汽附着的原理。SWC呈现效果相当“科幻”。不过笔者猜测,是不是这种镜片如果用手碰一下,小结晶会倒一片呢……

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  ·EF再次首发——ASC空气球形镀膜

  这又是一个黑科技镀膜技术,虽然在目的上和SWC相似,就是为了减少反射,但是ASC作为一项佳能最先进的镀膜技术,无疑有着更加科幻的外形。

  

  ASC空气球形镀膜是一种复合性质的镀膜

  ASC镀膜可以看成是一种复合性质的镀膜,它又两个部分构成,下面的蒸汽镀膜可以看成是常规的多层抗反射蒸汽镀膜(是不是SSC超级光谱镀膜有待笔者验证);上面比较厚的部分是通过均匀地在涂层内部注入低折射率的气泡,形成的低折射率图层。这是一个传统抗反射镀膜的“升级版”,气泡层能够将传统镀膜“搞不定”的反射光做进一步削减,达到更加出色的效果。

  

  同样的,既然是和蒸汽镀膜基于相同的技术,因此在应对超大角度入射光时候,ASC镀膜会出现效果的降低,这时候可以配合SWC使用,达到超强组合的效果(SWC用于大弧面,ASC用于平面或者小弧面)大家参考EF 11-24mm镜头结构,感受一下大感动黑科技带来的爽快感!

  

  新100-400mm镜头就具备ASC空气球形镀膜

 

  在一些长焦镜头,比如之前提到的100-400II上,ASC取代了SSC(超级光谱镀膜)作为了这枚镜头“主力镀膜”,而整个100-400II在全焦段锐度和抗眩光上的进步,应该或多或少的有功劳在ASC镀膜上吧。从目前的效果来看,佳能口碑最好的几只新镜头,除去特别便宜的一些,大半都有SWC或者ASC镀膜的加持。因此对于EF未来新镜头的期待,尤其是高级镜头,我们完全有理由给予更多的期待。

  第3页:小镜头福音——STM步进马达

  ·小镜头福音——STM步进马达

  单反相机相对于手机和其他种类相机最大的优势是对焦速度快。现在很多手机厂商宣称自己的对焦检测可以到0.X秒内完成,似乎大家觉得非常厉害,黑科技了!不过这里笔者还是要普及一下,佳能单反的独立相位对焦检测装置(也就是那些对焦点)的刷新速率是毫秒级的,也就是千分之一秒级别。而对焦系统的整体速度也是一个非常综合的考量方式,结合了对焦系统检测速度,镜头的驱动速度,电路响应时间……而如果以单反微单体系来说,最大程度决定对焦体验的是镜头驱动。

  作为目前最为庞大的单反镜头群,佳能EF系统在售镜头中涵盖了1987年到现在的各种产品,而我们也能特别明显的感受到随着时间的推移,镜头驱动系统有一个多么彻底的演化。今天笔者就两个最核心的驱动技术——STM步进马达和USM马达进行说明!

  

  STM步进马达原理图(图片来自于网络)

  从原理上来说,步进马达并非一个特别先锋的概念,不同于直流电机通过电流来控制转速,步进马达是通过脉冲信号来控制旋转的。由于这个原理,导致步进马达具备非常高的旋转精度,甚至五相以上的步进马达可以将精度控制在旋转角度1度以内(显然远远超过了镜头的需求)。

  佳能从2012年开始,将小型化的STM步进马达用在了所有全新发布的小型镜头上,获得了一致的认可,由于步进马达带来了流畅而高精度的驱动能力,让其在配合最新的实时取景技术时,可以尽量减少检测过程中的误差,带来精准而平滑的对焦。

  

  近几年佳能的小型镜头几乎都配备了STM步进马达

 

  佳能的STM系统可以分为两大类,齿轮驱动类和导螺杆驱动类。其中前者主要用于小型定焦镜头的驱动,它具备的特点是能够在和传统微型马达和微型声波马达相似的空间内,取得更快的速度和更好的精度,如40mm饼干镜头和全新的50 F1.8 STM。

  

  STM+齿轮型单元(上)和STM+导螺杆型单元(下)

  而导螺杆驱动的STM马达则用于采用后组对焦原理的变焦镜头为主,典型的例子为70D套头18-135mm STM镜头。此类镜头能够展现出异常安静和快速的对焦性能,以及出色的精度,尤其在作为套机镜头使用的时候,极大的提升了入门镜头的性能和口碑。

  依照上面的说法,STM技术几乎是一个非常完美的解决方案了;不过小型化的步进电机并没有特别巨大的扭力,因此它的应用基本上限于驱动小镜片和小镜组;这些镜头普遍为一些中小光圈定焦镜头,以及采“后组对焦”原理的小型,中型变焦镜头,诚然,这些镜头已经涵盖了80%以上针对于APS-C相机的应用,因此可以预见,未来STM技术将跨越佳能EF超过半数的产品线,彻底取代之前的微型电机和微型USM电机。

  第4页:顶级镜头标配——USM超声波马达

  ·顶级镜头标配——USM超声波马达

  上文有提到,STM并不能迅速驱动大型镜片移动。而这些镜头的对焦马达则大多会基于环形超声波马达技术(大型USM)。声波马达早在约20年前就被应用于长焦镜头上,比如第一代佳能EF 300 F2.8以及广为熟知的第一代小白EF 70-200mm F2.8L。

  

  环形超声波马达有着低转速+低扭力+无惯性的特点,并且由于它的扭力储备很大,因此几乎不需要使用过多类似齿轮组件这样的辅助系统,包括驱动600mm定焦这样大型的长行程对焦系统,以及类似85mm F1.2这样由多个镜片构成的大重量“全组移动”镜片组,超声波马达都可以轻松胜任。

  

  佳能17-40mm镜头中的环形USM超声波马达定子

  然而由于大型USM本身在制造成本(陶瓷组件原材料昂贵)和电路设难度上的居高不下,那么我们几乎不要指望在低于4000元的镜头上看到它的踪影了,而小型化之后的微型USM在一段时间内取得了不错的认可,不过趋势是被STM取代,后者相对稳定和长寿命。

  

  USM在高级L镜头上已经做到了全系列标配

  纵观镜头对焦驱动的技术。基本未来大家手中的佳能EF镜头,售价在4000以内的中低价位镜头多为STM驱动,而较昂贵的大型镜头都会是高性能的环形USM来搞定。目前基本上USM在高级L镜头上已经做到了全系列标配,而STM的普及趋势正在迅速展开,这对于入门用户来说无疑是非常好的消息!

  一直以来,大家会认为镜头的发展是相对缓慢的。诚然,在物理学上还没有出现巨大突破的时候,我们并不能通过彻底改变镜头构造和原理来实现光学素质上的飞跃。但是随着机械精密加工的技术积累,在现阶段很多“微创新”从多个角度推动了镜头的发展。比如广泛应用在EF镜头上的丰富镀膜,特殊镜片和全新的STM驱动技术,因此我们理由对目前这种聚沙成塔的镜头改良机制给予更多期待和认可。

  写在最后——用镜头讲故事

  镜头的魅力是需要你去发掘的,一只镜头在顺光,逆光,侧逆光和夜景下对于颜色的刻画和炫光的风格都不尽相同;感谢技术的进步,让我们可以不用有特别大的负担就能使用400mm这样的超长焦距,让我们能体会到没有鱼眼畸变的11mm超广角。然而当你如我一般,看着这几年积攒的满满一柜子镜头的时候,仿佛每只镜头都能讲出来一大堆属于它特定时间故事。这就是为什么很多人喜欢收集器材的原因之一吧!

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