方寸間的光學極致 解析EF鏡頭尖端科技(全文)_佳能 5Ds R_數碼影像...

2020-12-04 中關村在線

  光學技術是一門非常精湛的科技,它之所以誘人,之所以被很多人稱道,源於這是一類結合了傳統工藝和現在想法的東西。相機有千百種,但是經典的光學結構和設計就這麼幾個,因此,在有限的物理學定律中,不斷提升和改良光學鏡頭的性能,縮小他們的體積,任何一個進步都可以說是百尺竿頭更進一步的成就。接下來筆者就以佳能EF鏡頭為例,為大家講述一下一些當下還非常神秘的鏡頭黑科技! 


·探索完美鏡片——DO鏡片

  在鏡頭設計過程中,工程師會遇到兩個指標的平衡——光學素質和鏡頭的體積,理論上越高畫質的鏡頭,它的體積就龐大。因此大家看到的高級鏡頭外形普遍是非常威猛,重量也是非常驚人的。未來鏡頭發展的一個方向和汽車非常相似,就是在提供更好性能的情況下,儘量減少重量。


佳能EF 400mm f/4 DO IS II USM鏡頭的體積控制非常出色

  而隨著技術的發展,當各種蘊含著高科技的鏡片被發明出來,鏡頭和種類和性能獲得了長足的發展。其中DO鏡片(多層衍射光學鏡片)無疑是一個非常有前景的方向!作為第一款採用DO鏡片的全畫幅自動長焦鏡頭,佳能400 DO(第一代大綠)首先將400mm焦距的大光圈鏡頭重量控制在了2000g以內!同時70-300mm DO鏡頭更是將全畫幅長焦鏡頭做到了10cm級別,甚至比大家常見的55-250套頭還要短不少。


  DO鏡片在光學特質上是非常「夢幻」的,首先它具備和非球面鏡片相似的成像特性,簡單的說就是無論是放大和縮小都不會有明顯的畸變;其次理論上DO鏡片可以通過改變它衍射光柵(紋路)的樣式,做到在一定範圍內調整光線通過鏡片的角度(既可以自由調整角度,又兼顧了非球面鏡的成像特徵,實在是相當理想)而在佳能官網上,廠商甚至明確指出「DO鏡片的光學特性是超越螢石和UD鏡片的」。


DO鏡片的加入可以有效縮減鏡頭體積

  在目前的應用中,普遍廠商使用多層衍射鏡片的原因是利用它和普通鏡片相反的色散特性。普通鏡片產生的色散是藍綠光這樣的短波長可見光在靠近鏡頭的方向,而紅色這樣的長波長光線在遠離鏡片的方向;而多層衍射鏡片則具備相反的效果,紅色散靠近鏡片,綠藍色散遠離。大家看圖片會更加容易理解!


  受制於很多因素,目前階段多層衍射鏡片的製造和應用都顯得非常保守,並且這類鏡片還有很多特性沒有被體現到現實應用中(比如理論上可以隨意改變光線角度)。體現在產品中,即便是目前在此項技術上做的最成熟的佳能,也僅前後推出了三隻DO鏡頭。但這已經足以體現出了DO鏡片的強大實力,感興趣的朋友個可以找個附近的體驗店去親身試用一下。

·鍍膜黑科技——SWC亞波長鍍膜

  鏡頭鍍膜技術早在百年前就被發明出來,而三次比較大的革新分別發生於1935年前後,單層氟化鎂抗反射鍍膜的應用;1975年前後,一批如蔡司T*,賓得SMC等等這一系列少則5-6層多則7-8的多層複合鍍膜;而第三次鍍膜技術革新正在進行中,近十年的時間中,一些「納米級別」的鍍膜正在悄然興起,被應用到越來越多的鏡頭中。今天主要為大家介紹兩種非常神奇的鍍膜——SWC亞波長鍍膜和ASC空氣球形鍍膜。


ASC空氣球形鍍膜原理圖


SWC亞波長鍍膜原理圖

  鍍膜的一個非常重要的作用就是減少反射,儘量所有的光線都通過鏡片按照鏡頭設計的光路去走。尤其要避免的是無規律的反射,是對畫質致命的傷害。而鏡片弧度越大,發生無規律反射的可能性就越大,因此傳統的鍍膜技術很難做到有效抑制反射。這時候,就必須依賴特殊的技術來解決這些特殊鏡片。


  SWC鍍膜是一項基於仿生學原理的技術,科學家發現某些夜行昆蟲的眼睛有著非常低的反射率,原因是他們的眼睛表面存在一些納米級的微小不平整,因此藉助這些不平整可以非常明顯抑制反射光。

  亞波長結構鍍膜(SWC)在鏡頭表面形成一個小於可見光波長的楔形顯微結構,這種結構能夠持續改變折射率,從而消除折射率會突然改變的邊界,能夠實現比蒸氣鍍膜更理想的抑制反射效果。蒸氣鍍膜是鏡頭表面形成的一層小於可見光波長的薄膜,可以抑制光線反射,但隨著光線入射角的增大,它的效果也會隨之下降;而採用亞波長結構鍍膜(SWC),即使光線入射角大,其防反射的效果依然出色。


佳能11-24mm鏡頭具備兩組SWC結晶鍍膜和ASC空氣球形鍍膜!

  在實現原理上,SWC鍍膜採用的非常特殊的結晶方式(可以簡單的理解為北方冬天結霜的樣子),並非常見的化學染色,或者是蒸汽附著的原理。SWC呈現效果相當「科幻」。不過筆者猜測,是不是這種鏡片如果用手碰一下,小結晶會倒一片呢……

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·EF再次首發——ASC空氣球形鍍膜

  這又是一個黑科技鍍膜技術,雖然在目的上和SWC相似,就是為了減少反射,但是ASC作為一項佳能最先進的鍍膜技術,無疑有著更加科幻的外形。


ASC空氣球形鍍膜是一種複合性質的鍍膜

  ASC鍍膜可以看成是一種複合性質的鍍膜,它又兩個部分構成,下面的蒸汽鍍膜可以看成是常規的多層抗反射蒸汽鍍膜(是不是SSC超級光譜鍍膜有待筆者驗證);上面比較厚的部分是通過均勻地在塗層內部注入低折射率的氣泡,形成的低折射率圖層。這是一個傳統抗反射鍍膜的「升級版」,氣泡層能夠將傳統鍍膜「搞不定」的反射光做進一步削減,達到更加出色的效果。


  同樣的,既然是和蒸汽鍍膜基於相同的技術,因此在應對超大角度入射光時候,ASC鍍膜會出現效果的降低,這時候可以配合SWC使用,達到超強組合的效果(SWC用於大弧面,ASC用於平面或者小弧面)大家參考EF 11-24mm鏡頭結構,感受一下大感動黑科技帶來的爽快感!


新100-400mm鏡頭就具備ASC空氣球形鍍膜

  在一些長焦鏡頭,比如之前提到的100-400II上,ASC取代了SSC(超級光譜鍍膜)作為了這枚鏡頭「主力鍍膜」,而整個100-400II在全焦段銳度和抗眩光上的進步,應該或多或少的有功勞在ASC鍍膜上吧。從目前的效果來看,佳能口碑最好的幾隻新鏡頭,除去特別便宜的一些,大半都有SWC或者ASC鍍膜的加持。因此對於EF未來新鏡頭的期待,尤其是高級鏡頭,我們完全有理由給予更多的期待。

·小鏡頭福音——STM步進馬達

  單眼相機相對於手機和其他種類相機最大的優勢是對焦速度快。現在很多手機廠商宣稱自己的對焦檢測可以到0.X秒內完成,似乎大家覺得非常厲害,黑科技了!不過這裡筆者還是要普及一下,佳能單反的獨立相位對焦檢測裝置(也就是那些對焦點)的刷新速率是毫秒級的,也就是千分之一秒級別。而對焦系統的整體速度也是一個非常綜合的考量方式,結合了對焦系統檢測速度,鏡頭的驅動速度,電路響應時間……而如果以單反微單體系來說,最大程度決定對焦體驗的是鏡頭驅動。

  作為目前最為龐大的單反鏡頭群,佳能EF系統在售鏡頭中涵蓋了1987年到現在的各種產品,而我們也能特別明顯的感受到隨著時間的推移,鏡頭驅動系統有一個多麼徹底的演化。今天筆者就兩個最核心的驅動技術——STM步進馬達和USM馬達進行說明!


STM步進馬達原理圖(圖片來自於網絡)

  從原理上來說,步進馬達並非一個特別先鋒的概念,不同於直流電機通過電流來控制轉速,步進馬達是通過脈衝信號來控制旋轉的。由於這個原理,導致步進馬達具備非常高的旋轉精度,甚至五相以上的步進馬達可以將精度控制在旋轉角度1度以內(顯然遠遠超過了鏡頭的需求)。

  佳能從2012年開始,將小型化的STM步進馬達用在了所有全新發布的小型鏡頭上,獲得了一致的認可,由於步進馬達帶來了流暢而高精度的驅動能力,讓其在配合最新的實時取景技術時,可以儘量減少檢測過程中的誤差,帶來精準而平滑的對焦。

近幾年佳能的小型鏡頭幾乎都配備了STM步進馬達

  佳能的STM系統可以分為兩大類,齒輪驅動類和導螺杆驅動類。其中前者主要用於小型定焦鏡頭的驅動,它具備的特點是能夠在和傳統微型馬達和微型聲波馬達相似的空間內,取得更快的速度和更好的精度,如40mm餅乾鏡頭和全新的50 F1.8 STM。


STM+齒輪型單元(上)和STM+導螺杆型單元(下)

  而導螺杆驅動的STM馬達則用於採用後組對焦原理的變焦鏡頭為主,典型的例子為70D套頭18-135mm STM鏡頭。此類鏡頭能夠展現出異常安靜和快速的對焦性能,以及出色的精度,尤其在作為套機鏡頭使用的時候,極大的提升了入門鏡頭的性能和口碑。

  依照上面的說法,STM技術幾乎是一個非常完美的解決方案了;不過小型化的步進電機並沒有特別巨大的扭力,因此它的應用基本上限於驅動小鏡片和小鏡組;這些鏡頭普遍為一些中小光圈定焦鏡頭,以及採「後組對焦」原理的小型,中型變焦鏡頭,誠然,這些鏡頭已經涵蓋了80%以上針對於APS-C相機的應用,因此可以預見,未來STM技術將跨越佳能EF超過半數的產品線,徹底取代之前的微型電機和微型USM電機。


·頂級鏡頭標配——USM超聲波馬達

  上文有提到,STM並不能迅速驅動大型鏡片移動。而這些鏡頭的對焦馬達則大多會基於環形超聲波馬達技術(大型USM)。聲波馬達早在約20年前就被應用於長焦鏡頭上,比如第一代佳能EF 300 F2.8以及廣為熟知的第一代小白EF 70-200mm F2.8L。


  環形超聲波馬達有著低轉速+低扭力+無慣性的特點,並且由於它的扭力儲備很大,因此幾乎不需要使用過多類似齒輪組件這樣的輔助系統,包括驅動600mm定焦這樣大型的長行程對焦系統,以及類似85mm F1.2這樣由多個鏡片構成的大重量「全組移動」鏡片組,超聲波馬達都可以輕鬆勝任。


佳能17-40mm鏡頭中的環形USM超聲波馬達定子

  然而由於大型USM本身在製造成本(陶瓷組件原材料昂貴)和電路設難度上的居高不下,那麼我們幾乎不要指望在低於4000元的鏡頭上看到它的蹤影了,而小型化之後的微型USM在一段時間內取得了不錯的認可,不過趨勢是被STM取代,後者相對穩定和長壽命。


USM在高級L鏡頭上已經做到了全系列標配

  縱觀鏡頭對焦驅動的技術。基本未來大家手中的佳能EF鏡頭,售價在4000以內的中低價位鏡頭多為STM驅動,而較昂貴的大型鏡頭都會是高性能的環形USM來搞定。目前基本上USM在高級L鏡頭上已經做到了全系列標配,而STM的普及趨勢正在迅速展開,這對於入門用戶來說無疑是非常好的消息!

  一直以來,大家會認為鏡頭的發展是相對緩慢的。誠然,在物理學上還沒有出現巨大突破的時候,我們並不能通過徹底改變鏡頭構造和原理來實現光學素質上的飛躍。但是隨著機械精密加工的技術積累,在現階段很多「微創新」從多個角度推動了鏡頭的發展。比如廣泛應用在EF鏡頭上的豐富鍍膜,特殊鏡片和全新的STM驅動技術,因此我們理由對目前這種聚沙成塔的鏡頭改良機制給予更多期待和認可。

寫在最後——用鏡頭講故事

  鏡頭的魅力是需要你去發掘的,一隻鏡頭在順光,逆光,側逆光和夜景下對於顏色的刻畫和炫光的風格都不盡相同;感謝技術的進步,讓我們可以不用有特別大的負擔就能使用400mm這樣的超長焦距,讓我們能體會到沒有魚眼畸變的11mm超廣角。然而當你如我一般,看著這幾年積攢的滿滿一柜子鏡頭的時候,仿佛每隻鏡頭都能講出來一大堆屬於它特定時間故事。這就是為什麼很多人喜歡收集器材的原因之一吧!

5佳能5Ds R詳細參數

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