聊點技術:刮傷鏡頭鍍膜意味著什麼?

2020-12-04 玩機小胖

在不改換門庭的情況下,一顆鏡頭一般都會伴隨大家使用很長一段時間,也相信大多數人都遇到過剮蹭鏡頭前組的情況,這時候最容易引發的擔憂就是「傷著鍍膜了麼?會不會影響成像效果?」

其實換個角度來看,這個問題問的就是「鍍膜究竟有多大用處?」從光學性質來看,鍍膜的核心用途就是增加透光率,那麼假設沒有鍍膜,一塊玻璃的光透過率有多少呢?這時候只需要計算出光能的反射和吸收率就能得出剩餘值。當然,實用中還有材料工藝不精導致的氣泡、雜誌、渾濁等產生的散射,零件表面拋光不良會造成的漫反射和漫折射……但為免複雜,在這裡就假設材料完美無瑕,只計算反射和吸收。

反射是導致光能損耗最大的原因,根據菲涅爾公式,反射率p為:

i和i』分別是入射角和折射角,簡單計算不難發現入射角在45度以內時,反射率與入射角為0度,也就是垂直入射時的數值基本相同,而在攝影系統中光線在每一面上的入射角很少會超過45度,所以在計算反射時都會以垂直入射為標準,這樣一來菲涅爾公式就可以按折射率簡化為:

比如一塊折射率n』為1.5的玻璃在空氣中傳導時,p=0.04;而n』=2時就有p=0.111,這基本涵蓋了絕大多數玻璃材料的反射率,也就是一個折射面就有7~11%的損耗,多個折射面造成的光能損失就會非常可觀了,假設每一面的反射率為5%,也就是p=0.05,鏡頭系統總計有10個與空氣接觸的折射面,設L』為出射光束亮度,L為入射光束亮度,那麼有:

也就是說一個簡單的5片分離式透鏡組,在沒有鍍膜的情況下單單反射就要損失超過40%的光能,而且各面的反射光還會被其他折射表面繼續反射,這種表面件偶次反射的光最終會在傳感器上形成一個雜光像,而這就是眩光和鬼影。

也正因無鍍膜玻璃存在如此明顯的光能損耗且劣化成像,所以鍍膜才成為了各大品牌研發的重點課程,最基礎的鍍膜工藝是光學厚度精確等於1/4波長的單層膜,理論上對於垂直入射在薄膜上的光線,經薄膜第二表面的反射光在第一表面與第一表面的反射光線相遇時,是精確相差1/2波長的異相,可形成相消幹涉從而抵消反射光,而1/4單層膜本身的折射率應該等於玻璃基板折射率的平方根,比如折射率為1.9左右的玻璃基板就適用折射率為1.38的氟化鎂鍍膜。

但因為民用相機需要覆蓋整個可見光波段,單層膜只能針對某一個波長,相消幹涉效率會變差,比如對黃光反射率低,但紅藍光反射率會略高(所以鍍膜看上去才會有顏色),因此現代鏡片鍍膜基本都採用多層工藝,而且光學厚度並不嚴格是1/4波長,現代多層鍍膜已經可以將最終垂直入射反射率控制到0.05%以內,30度入射也可以在0.1%以內,工藝進步的幅度相當快,也為越來越多的複雜鏡組設計提供了根本性的基礎。

除了反射還有吸收,光經介質傳播史的吸收損失要按具體應用方向而定,總體來說光學玻璃對400~760nm可見光和紅外波段吸收率都不高,但強烈吸收紫外部分。在各大玻璃廠規格表裡都會有「內部透過率」這項參數,一般會給出材料2~10mm厚度時的透過率,對於人眼最敏感的555nm波長絕大多數玻璃都可以控制在99%以上,而吸收率的計算公式可以寫作:

L』為出射光束亮度,L為入射光束亮度,τ是內部透過率,對於攝影鏡頭來說可取0.99,d是光線在材質內的路程長度,單位為cm。為免複雜,所有品牌的內部透過率都按照沿光軸玻璃厚度來計算。也就是說,計算整個一束光在經歷光學系統傳遞後所剩的光亮,需要知道該系統中材料與空氣接觸的折射面數,玻璃的沿軸厚度、折射率、反射率,如果有增透膜,就得需要鍍膜之後的實際參數,在這種情況下才能計算它的理論極值。比如這樣一套系統:

大家可以試著就前面給到的計算方法來算一算反射會折損多少,吸收又會折損多少,其實過程非常簡單,經12個折射面後剩餘光亮度為0.558,而吸收後的亮度為0.896,所以最終出射光束兩對為兩者乘積,為0.499,也就是經過這套系統下來之後光亮度就只剩一半左右了。這時候如果把各折射面蒸鍍上反射率為0.01(也就是1%)的多層鍍膜,這時候再一計算不難發現反射後的光亮度依然有0.886,整套系統的出射光亮度可以增加到0.794,足見鍍膜的意義!

也正因為鍍膜具備光譜多功能特性,可以通過這個特性來設計具體波長濾光功能的幹涉膜,比如長通、短通、帶通等。熟悉天文攝影的應該都聽說過窄帶濾光片:

它只會允許特定波長光線通過,其餘波長都會被反射,比如設計一個1000nm波段的窄帶濾光片,就需要把膜系各層薄膜厚度翻倍,就可以讓它的光譜帶漂移到21000nm,通過特定設計就能為不同應用領域提供定製化的設計。

但即便當代鍍膜技術已經非常犀利,對於攝影鏡頭而言鬼影眩光依然是無可避免,只是程度上在逐步降低,而且還被不斷增加的鏡片數量給抵消,19片的奧林巴斯25mm F1.2沿軸部分的有效光圈(注意概念區別!)只有F1.8,同為19片的佳能RF 28-70mm F2眩光依然是非常明顯……所以整個行業對鍍膜技術依然有強勁的進階需求。

所以現在你再回過頭去看一開始的問題,剮蹭了鏡頭前組是否會影響畫質?從絕對值來說一定是有影響,會影響第一折射面的反射值,從而影響最終的出射亮度,但影響有多大?當代鏡頭即便是經典設計,近20個折射面也並不新鮮,改變了其中一面的反射率並不會有明顯的影響,假設有一顆鏡頭,每一面反射率為0.02,總計有20面,有出射亮度0.668,假設第一面鍍膜損壞而反射率提高到0.1,那麼整套系統的出射亮度就變成了0.613,但第一面的鍍膜損壞並不會形成鬼影,只會非常小幅度地影響有效光圈,這對於曝光要求非常準確的電影系統來說會有點兒影響,但對於自動曝光的民用照相機來說系統會自動補償一點快門,完全不會影響使用。

當然,因為不同膜系和厚度針對不同波長有不同透射率,觀察上圖不難發現同樣的三盞燈,兩顆鏡頭反射的顏色卻並不一樣,所以鍍膜損傷也會影響到鏡頭色彩,但道理還是一樣的,單純第一面鍍膜的小損傷影響很小,而且目前馬賽克陣列傳感器都是猜色,所以也沒有擔憂的必要。最重要的是,當下的鍍膜並不會特別脆弱,比如氟化鎂膜的穩定性就比較強,即便是多層膜也大多經得起擦洗,但有些會隨著時間推移而變軟,所以平日裡還是多個心眼會更安全,當然如果真的不小心磨損了鍍膜也沒什麼影響,只要不是大面積的刮花就不需要太擔心。

同樣的道理也可以應用在濾鏡上,除了中灰、漸變等功能型濾鏡外,大多數人用濾鏡都只是為了保護前組,這時候只求它別影響性能就行,而一塊鍍膜設計與工藝穩定的薄濾鏡並不會對成像產生副作用,所以濾鏡沒有必要追求價格上的絕對,主流品牌主流型號即可,但也切記不要貪便宜……

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