真能消除紫邊?螢石、ED、UD等特殊鏡片解析

2021-01-15 玩機小胖

前幾天小胖跟大家講了講非球面鏡片,有提到小三元裡16-35mm和24-70mm都有採用非球面,那可能有朋友就好奇了,為什麼70-200mm裡不帶,如果說小小白太老,那2011年推出的F2.8版小白兔裡也沒有,這又是為什麼呢?因為對於長焦鏡頭來說,球差的影響變小,但相應的,色散色差的問題會凸顯出來,而且長焦鏡頭想要縮短鏡頭長度,又不想讓場曲變得很嚴重,普通鏡片顯然是做不到這一點,非球面雖然有一定作用但能力有限,這時候需要一個低折射率的特殊鏡片來滿足需求。

所以在長焦鏡頭裡,包括100-400mm鏡頭甚至400mm以上定焦鏡頭裡,螢石成為不可或缺的特殊鏡片,所謂螢石也就是氟化鈣結晶,先天就有超低色散的優勢,阿貝數高達95.3(阿貝數越高色散越低),但天然螢石光學素質適用於成像系統的大多體積非常小,而且加工難度很高,化學穩定性差,所以現在都是人造螢石為主。

以螢石為代表的特殊鏡片主要意義就是低色散,所謂色散就是透鏡在折射光線時,不同波長光線會有不同的折射率,如上圖所示,不同顏色光線被分離開來,沒有辦法匯聚於一個點上,從而形成大家耳熟能詳的紫邊,實際上會根據焦點所處光軸位置不同而顏色不同,通常來說是近端紫紅,遠端青綠,焦內的高反差區域通常是紫色,所以才被簡稱為紫邊。

有看到不少人爭論為什麼膠片時代很少見到紫邊,事實上紫邊主要是可見光譜長波端,也就是接近紫外與紅外端的溢出,而銀鹽膠片對這個波長光線敏感度很低,所以膠片攝影很少見到紫邊。但數字傳感器就不一樣了,它的敏感光譜要來得更寬,雖然鏡頭本身就已經能夠過濾大量紫外光,CMOS濾鏡也有降低紅色和紅外光敏感度,但在高反差高光比的邊緣,紫色溢出也是沒辦法完全避免,所以歸根到底還是傳感器的鍋。

但傳感器是基本上動不了了,為了解決這個問題,數碼時代只能從鏡頭開刀,開始大量採用各種方案來解決不同波長光線折射率不同的問題,螢石和人造螢石算是最簡單粗暴的方案,除此之外還有一些腦洞大開的方案,比如佳能的DO鏡片,也就是綠圈鏡頭。

所謂DO就是多層衍射元件,傳統透鏡是波長越短(藍色)折射率越高,DO鏡片則是反過來,使長波長(紅色)折射率最大化,然後再配合一片傳統透鏡來實現「負負得正」,也正因如此,傳統長焦鏡頭需要足夠長的鏡片距離才能保證抑制色差,DO鏡片的加入就能讓鏡片距離大大縮短,所以綠圈鏡頭體型都很小巧。

但DO鏡片的加工難度非常高,導致成本居高不下,70-300mm F4.5-5.6 DO IS的價格都近萬元,基於初代設計的產品大多還遭遇了點光源眩光的問題,即便是新鏡頭也沒有完全解決這個問題,因為這就是多層衍射元件先天的不足,因此佳能現在也沒有太多強調這個原本很黑科技的技術。

但螢石和人造螢石的成本也不低,所以現在主流鏡頭裡大多採用的是膠合鏡片消色差設計,佳能鏡頭裡的UD、尼康/索尼鏡頭的ED、騰龍的LD、適馬的SLD都是這樣的設計,用至少2片鏡片互相抵消的方式,實現部分波長光線折射率的在焦平面上的統一,一般來說是凸凹鏡膠合,比如上圖就是比較經典的冕牌玻璃凸鏡+火石玻璃凹鏡組合,光譜圖如下:

標註為0的中心縱軸為無色差,橫軸則是光波長,可見光波長在0.38~0.78之間。跟本文開始那張完全沒有消色差設計的單鏡片相比,可以看到紅藍兩色已經大大收斂,色散得到有效控制。

而蔡司在這方面走得更靠前一點,雙鏡片膠合消色差只能針對紅色與藍色,也就是可見光譜的兩端,蔡司知名的APO鏡頭就是採用的3片復消色差設計,結構圖如下:

可以很明顯地看到3片設計對可見光譜裡的大多波長光線都能有效整合,其實這項技術確實相當考驗品牌設計能力,復消色差對軸向色散的抑制非常有效,因為長焦鏡頭背景虛化裡的軸向色散都是偏綠的,而這恰恰是雙鏡片膠合消色差的軟肋,可以看下面的雙鏡與三鏡設計在焦外色散上的差別:

可以看到圓形背景燈光的邊緣綠色色散要小很多,這就是復消色差的威力,從光譜圖來看,復消色差的性能也是目前消費級鏡頭裡最強的:

這條曲線明顯要平直不少吧,但可以看到即便是這樣,從光學系統來看依然無法做到完全消除色差,史上色差校正能力最強的鏡頭還是來自蔡司(要不怎麼說蔡司真的牛X呢),這顆鏡頭叫Tele-Superachromat 350mm F5.6,隸屬哈蘇CFE系列,1998年蔡司還推出了驚為天人的Tele-Superachromat 300mm F2.8。其中Superachromat也叫超消色差,它的鏡片大量採用螢石材料打造,所以價格上了天,F5.6版二手售價也接近40000元,帶增倍鏡和保護筒的好成色版輕鬆上10萬人民幣。

300mm F2.8版?只做了175隻,二手市場基本看不到,最近一次看到時的報價是5萬,不過單位是美元……

最後來對比一下光譜圖,藍色曲線的單鏡片色差曲線基本沒法看;綠色曲線的普通雙鏡片膠合消色差在可見光譜兩端還算不錯,但對綠色波長抑制較差;橙色曲線的三片式復消色差曲線明顯與標註為0的基準縱軸更加貼合;而紅色曲線的超消色差則是更進一步。可以看到從1到2的進步幅度遠遠大於從3到4,但成本上後者可就高了非常多。

所以對於大多數普通鏡頭來說,像佳能UD,尼康/索尼ED等採用雙鏡片膠合的特殊鏡片已經是絕對的主流,佳能16-35mm F4這種大家都非常喜歡的實用性鏡頭就帶了2片UD和3片非球面,尼康24-120mm F4也有2片ED和3片非球面。當然也有一些主流大光圈鏡頭完全沒有色差消除的特殊鏡片,比如佳能最新的85mm F1.4,尼康的AF-S 85mm F1.4G等等,而採用足足3片ED的索尼85mm F1.4 GM在色散控制上就遠強於前兩位競爭對手,當然它的價格也是最貴的(這並不完全是採用了ED的原因),所以有沒有採用消除色差的特殊鏡片也不能當作鏡頭檔次高低的論據,只能說是各個品牌有各自的想法吧

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