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0431-81702023
光学工程
从镜片探秘佳能顶级单反镜头

从非球面镜片、萤石镜片、UD镜片、再到DO镜片,本文将详细解读佳能顶级镜头中非常常见的特殊镜片。

超精确非球面镜片

大多数摄影镜头都是由多片球面镜组合而成,这种镜头只能靠设计中对镜片曲率的不断调试并且整合不同镜片的相对位置来获得接近理想的成像效果。虽然现代电脑自动化设计和模拟技术可以使球面镜的制作精度高而更高,但是球面镜本身的特点之一就是平行光束在理论上很难精确地聚集在一个点上,由此带来大光圈下的成像相对模糊,超广角端的图像扭曲以及镜头外形难以进一步缩小等问题。为了消除这种弊端,取得更佳的成像效果、更少的图像形变程度、更小的镜头尺寸,唯一的办法就是使用非球面镜技术。


 

球面镜与非球面镜光学原理对比

早在二十世纪六十年代,佳能已经开始开发非球面镜技术,刚步入七十年代时就已经初见成果。在1971年佳能成功地推出了一款商业级含非球面镜元件的单反镜头--FD 55mm f/1.2AL。为此,佳能的技术团队还独立研发出“极坐标转换测量系统”以测量超精度非球面镜的镜片。在这项技术中,被测量的镜片置于一个转动的架子上并围绕镜片曲度中心旋转,同时一个干涉测量仪开始计算被测镜片表面与参考球面镜表面的区别,测量结果被实时录入电脑中,处理出的数据反馈回测量部门。“极坐标转换测量”技术的实现使测量精度达到了0.02微米,是光的波长的1/32。而在随后多年的非球面镜片发展中,这项科技也成为佳能不可或缺的核心关键。

为了精确加工非球面镜,佳能也建立起复杂精细的工序。镜片先在高精度控制下进行表面特殊形状打磨,然后进行更加细致的均匀抛光以防破坏非球面镜片的形状。起初时,镜片表面加工和高精度的球面测量不得不一次又一次地重复,因此镜片质量事实上更像手工制作。直到1974年,佳能开发出一台特殊的加工机,使得每月非球面镜片产量达到1000片以上,以此为大规模量产铺平了道路。


 

极坐标转换测量系统工作原理

80年代初,佳能投入更多精力对大光圈玻璃塑模非球面镜头进行研究与开发,在85年时制造出了可以量产应用的设备系统。这种玻璃塑模非球面镜直接由一部压模机在高精度非球面金属模具的控制下制造成型,既达到了可更换单反相机镜头的要求,又可以进行相对低成本的大规模生产。到了90年代,佳能研发出第四类非球面镜生产技术,这项科技实现了玻璃非球面镜表面上的镀膜。

在EF镜头的发展过程中,这四项非球面镜加工技术使佳能的工程师们在设计各种镜头时有极大的自由来选择最合适的技术应用。非球面镜能够极大减少球面镜镜头在大光圈下产生的像差,补偿广角端的图像扭曲并使得小规模、高画质的变焦镜头的生产技术得到发展。


EF与FD变焦镜头外形大小比较

Since1969——萤石镜片

佳能的“白筒红圈”L系列超长焦镜头凭借极其优良的表现力和锐度一直为全球的专业摄影师所称赞。其中高画质的关键就是使用了能够彻底消除二级光谱色差的萤石镜片与超低色散镜片。

对于超长焦镜头,使用玻璃镜片会碰到成像质量上限的局限,残留色差对长焦镜头画面锐度可能产生极大的影响。在相机镜头中,光线通常要穿过不同的镜片,产生出高或低色散的两种波汇聚到一点上。如果通过一个镜片分解出的红蓝光束能够准确地汇聚在一个点上,则称此镜片为“无色散”镜片。不过即使红蓝光束已经聚集在某点,但他们的中间色,即绿色,仍会投射在另一个点。这种即使在设计过程中已经经过修正,但是依然不能消除的光束就是二级光谱。这个情况的产生是因为不同的玻璃光学元件之间存在不同比率的色散,而每种光波发生色散的总比率是趋近于保持固定。因此当使用玻璃光学元件时,由于理论上的限制,二级光谱色差在焦距小于焦距的千分之二情况下不可能被消除。


 

佳能EF 300mm F2.8镜片结构示意图

玻璃的主要成分是二氧化硅,并添加了些许钡氧化物和镧,在玻璃材质制造过程中,所有物质都放进一个熔炉中,在1300至1400度的高温下熔炼融合,然后自然冷却。而萤石,有类似水晶的原子结构,并具备玻璃光学元件难以匹及的低色差、小折射角度等非同寻常的特质。因此用萤石材料来打破传统玻璃光学元件中存在的色差局限,并表现出完美的视觉效果是相对容易的。另外在红光至绿光的光谱范围内,萤石的色散特性与玻璃的色散特性几乎一致,但是在绿光到蓝光的范围内则大大不同。正是这些萤石镜片的应用,使得“大白”等超长焦镜头的画质比起传统长焦镜头的画质有了极大的提升。

当一块萤石凸透镜与一块高色散玻璃凹透镜按照使红光与蓝光汇集于一点的设计规则组合成一组透镜,此时萤石包含的低边缘色散特性能够有效地使绿光光束也投射在红蓝光点上,这就令二级光谱减小到了一个微乎其微的程度。


普通光学玻璃与萤石的色散对比

另外,前凸后凹结构镜片的光线分布使全图像区域清晰程度大幅提高,并且让镜头物理长度小于镜头焦距成为可能。在用此类前后结构的透镜组时,凸透镜的折射率能够达到极低的水平,同时还能保证拍摄的图像从中心延伸至镜头边缘,每一处画质都无比锐利。

对于普通玻璃元件来说,减短镜头长度后可能会导致难以修正镜片曲率,成像质量大大降低。而对于萤石镜片,减短长度能使萤石镜片凹凸结构镜头变得更加紧凑,低折射率材料同时改善了佩兹伐和数,令镜头空间缩短的同时仍然保持成像的高质量。


 

萤石与普通玻璃的光学特性对比

萤石材料优秀的光学特性早在19世纪就被发现,但天然萤石只以非常细微的形态存在于自然当中,其大小只合适于制作显微镜的镜片。虽说镜头设计师们长久以来都渴望使用萤石来制作镜片,但是事实是获得大小合适的天然萤石片近乎痴人说梦。为了解决这个问题,佳能培育出人工萤石结晶并在二十世纪六十年代末最终建立起可操作的萤石量产系统。佳能第一部使用人造水晶结构萤石的镜头是1969年生产的FL-F 300mm f/5.6,如今,唯一在数码单反相机可更换型镜头中使用萤石的只有EF系列。

UD超低色散镜片

萤石镜片在超长焦距镜头中的表现令人非常满意,但是将萤石应用于其他非长焦镜头却也有不足——人工生产萤石的成本非常昂贵。为此,设计师们也在寻找一种特殊而平价的玻璃元件来提供接近萤石特性的效果,这一目标终于在70年代由超低色散镜片达到。这种镜片的折射和色散性能不及萤石镜片,但是远比普通玻璃镜片优秀。此外,UD镜也展示出绝少的边缘色散性能,相对来说,优良的UD镜片在经过适当搭配组合后,其成像效果已经可达到非常接近萤石镜片的程度(两片UD镜片组合相当于一片萤石镜片元件)。

比萤石更强的镜片——DO(多层衍射光学元件)

DO镜片的出现基于衍射现象研究的进展(关于衍射的概念可见本文最后的附注)。这种元件形状不对称,不过相比萤石镜片和UD镜片更加优异的消除色散性能使它吸引了很多业内人士的注意。以往,由于存在衍射眩光的问题,想要将消除色差元件组合进镜头中是颇为费劲的工作。为此佳能开发出多层衍射光学镜片,独一无二的结构令镜头可以更小、更短、色差更细微。第一台使用DO镜片的镜头是佳能EF 400mm f/4 DO IS USM,其紧密、轻巧的镜身和极其优异的成像质量让DO镜片名声大噪。


DO变焦镜头的体积大幅减小

单片DO镜

由于振幅型衍射光栅结构不适合用于照相机的光学系统,因此只能应用另一种外形酷似“斧头刃”的相位型衍射光栅。这种光栅并不挡住光线,而是依靠像“菲涅尔透镜”那样的多个同心圆环结构制造出衍射波。改变光栅间距得到的图像在成像特点上与非球面镜成像特点如出一辙,因此单层衍射元件就可以用来解决例如球面镜像差等一系列问题。

 

DO结构示意图

波长大的光束在经过衍射光栅后会产生较大的衍射角度,换句话说就是波长大的光束经过光栅后会距离光栅较近,而波长小的光束只能在更远处形成图像。同理,由于射入折射镜的的光线还具备一定的亮度,因此短波长的光束可以在距离较近的位置形成图像,而长波长光不得不靠后一些。对于色差问题,这也就意味着同时使用一组衍射元件和折射元件可以将色差的位置顺序调转过来,而如果将这两个系统合并则能够校正互相的色差,就能使色差现象彻底消除。与前文所说那种凹凸镜片结合以校正色差的技术不同,靠光学衍射消除色差只需要利用凸透镜即可,这也就为简化镜头内各个镜片组提供了便利,同时还可以有效地校正除了色差之外的其他成像缺陷。


 

DO元件色差修正原理图

DO镜的发展

单层衍射光学元件已经配合激光技术应用在读取CD、DVD的激光头上,不过这项科技也不能够直接转到摄影镜头领域。毕竟激光的波长固定,而摄影中接受的光线波长丰富。为了让折射镜把射入镜头的光线全部折射掉,镜片表面的多层镀膜结构可以使所有人眼可见光转变成影像表现光。例如EF 400mm f/4 DO IS USM镜头中使用了两块面对面摆放的同心圆环栅格单层镀膜衍射镜。由于镜头内光线不会产生无意义的衍射光,因此DO镜把几乎所有的人眼可见光都转变成了影像表现光,从而提高了成像的质量。


 

单层衍射镜与DO镜的透光性能差异

DO镜系统靠一块球面镜片和一块衍射结构镜片组成,衍射镜在一个特殊塑料模具中打磨成型。镜片上的衍射光栅薄厚达到了微米级,光栅间隔从几毫米逐渐减小至十余微米。为了保证衍射光栅的间隔、厚度、位置符合标准,整个制作过程的测量精确程度甚至达到微米之下。一些新技术为此而生,例如3D超高精准微构建技术,同时佳能公司的一些成熟科技也被用上,例如复合非球面镜工艺和高精准定位技术等。

三层DO镜

原理上,DO系统具备缩小变焦镜头物理长度的潜力。不过事实上,已经出现在EF 400mm f/4 DO IS USM定焦镜头上的双DO镜结构设计恐怕很难被再次使用。首先,对于定焦镜头的入射光照基本上是固定的,而在变焦镜头中,光线入射角会随着焦距调整而大幅改变。从已经设计完成的DO镜头来看,改变光照入射角的同时会产生不必要的衍射光线,因此可能造成眩光而极大影响成像质量。不过新研发的3层DO镜结构按照合适的搭配顺序组装在光轴上,可以补偿焦距调整带来的光照改变。

3层衍射光栅可以保证任何进入镜头的光束都不会衍生出杂余光线,同时仍然能够使几乎所有的入射光都转变成对影像有益的影像表现光。3层DO结构首次出现在EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM镜头中,它有效地提升了光线折射率,缩短了镜头物理长度,对色散和非球面镜特性的弊病实现完美的补偿。

相比用传统折射镜片工艺制造的EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM镜头,EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM在长度上缩短了30%,同时其修正了色差、球差之后的成像质量也完全达到了佳能最优秀的L系列镜头水平。


 

DO镜头小型化原理图

 

关于衍射:

衍射是光波经过物体边缘或细小孔径后发生的传播方向弯曲现象。这是一种光波传播的特征,无法被消除,比如在镜头光圈过小时就有可能发生。衍射眩光是镜头内部经常出现的干扰源,当光进入镜头,光圈叶片后方就会出现衍射而影响成像质量。不过衍射的特性也可以用于控制光入射的方向,假如在光的传播途径上设置两个紧紧挨着的狭缝,这样就能得到类似在小光圈下发生的眩光效果。


 

衍射示意图

具体来说,当光束穿过两个并排的孔隙,在每个小孔开始发生衍射,也就相当于两个孔隙变成了两个光源。这样从外部射入的纷杂光束经过两个小孔后,发出的光线又趋近同向。从两点发出的光有些在经过一个周期后会叠加起来,有些则要经过两个或更多周期才会叠加。其中那些经历了一个周期后便汇合的光线的方向称为衍射方向(Primary Diffraction),两个并排紧挨的孔隙叫衍射光栅。改变两个孔隙相互之间的距离会导致衍射方向改变,每个孔隙自身的宽度以及光源波长决定着衍射现象的程度(即衍射角度)。


 

衍射波产生的原理


 

 


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