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单反相机的镜头(4)—认识镜头上的“玻璃”

开场白:本篇文章内容比较枯燥,主要讲各种镜片的理论知识,请各位看官做好心理准备。

记得2011年我去买Canon EF70-200mm f/2.8L IS II USM镜头,一番讨价还价后,以14500元软妹币成交。随行的朋友不由地问:为什么卖那么贵?不就是几片玻璃加点塑料和金属么?店老板无语…… 我想了想,告诉他:这里面的玻璃和我们门窗玻璃材质不一样。

那么这些镜片不是门窗玻璃的材质,又是什么呢?今天就来聊聊这个话题,聊完以后或许你就明白为什么有些镜头只要几百块,有些镜头却要几十万了。就目前市场上在售的普通单反镜头,以及索尼微单镜头来说,镜片的种类大致有:萤石镜片、低色散/超级低色散镜片、非球面镜片、衍射镜片、BR镜片、高折射率镜片等。

萤石镜片

萤石

萤石由氟化钙(CaF2)结晶形成,不仅具有卓越的红外线、可见光、紫外线透过率,而且还能更好地清除影响拍摄画面锐度的色差。另外,萤石的重量比光学玻璃轻得多,因此,采用萤石镜片的镜头不仅更高效,而且更轻。实际上,萤石镜片不是玻璃镜片,而是一种特殊的石质镜片。尼康称这种镜片为“FL镜片”。

自然界的光线因波长(颜色)不同,折射率也各异,透过镜头时就会形成色散。为了使这些光线重新聚集到一点,设计镜头时会组合使用折射率和色散率不同的镜片进行补偿。但玻璃镜片组合的补偿存在局限,还可能引起颜色错位(色像差),而采用折射率极低、色散也很低的萤石便可有效抑制残存的色像差。

萤石镜片运用效果

由于天然纯净的大块萤石很少存在,并且其物理特性(硬度较低、易划伤、怕高温)导致加工不易,因此,最初采用萤石片的镜头造价极其高昂。直到1969年,佳能研发确立了人造萤石技术,萤石镜片才慢慢开始运用于普通单反镜头中。当然,时至今日,萤石镜片仍然很贵,所以,无论佳能还是尼康,都将它用于顶级长焦镜头中。

抛开因工作需要或发烧友才会考虑的远摄、超远摄定焦镜头不谈,对于普通用户而言,采用萤石镜片的长焦变焦镜头佳能选择比较多:EF70-200mm f/2.8L IS Ⅱ USM(小白兔)、EF70-200mm f/4L IS USM(爱死小小白)、EF70-200mm f/4L USM(小小白)、EF100-400mm f/4.5-5.6L IS Ⅱ USM(大白兔)、EF200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4X;而尼康方面,截至本文发稿止,只有2016年10月19日新发布的AF-S Nikkor 70-200mm f/2.8E FL ED VR(电磁炮)这一个选择。

太姥山日落

低色散/超级低色散镜片

低色散镜片

虽然萤石具有理想的色像差补偿效果,但因造价昂贵,在众多镜头上普及比较困难,于是最早由尼康公司开发的低色散镜片诞生了。这种镜片具有低折射、低色散的特点,通过采用低色散镜片,提高了二次光谱的消除效果。两片低色散镜片可实现与一片萤石镜片媲美的效果(但无法完全替代,原因见下文),具有良好的色像差补偿性能。它已被广泛应用于各类镜头中。

各厂家低色散镜片的标识

佳能UD,尼康/索尼ED,适马SLD(Special Low Dispersion,特殊低色散),腾龙LD。

到了20世纪后期,低色散镜片的性能得到很大提高,超级低色散镜片开发成功。一片超级低色散镜片可提供相当于约两片低色散镜片的效果,进一步为镜头的高性能化和小型化作出贡献,并实际应用在多款镜头中。

低色散镜片和超级低色散镜片

各厂家超级低色散镜片的标识

佳能Super UD,尼康/索尼Super ED,适马ELD(Extraordinary Low Dispersion,特级低色散),腾龙XLD。

尼康公司还有第三种低色散镜片,称为非球面ED镜片(ASED)。这种镜片同时实现了色差校正和各种像差校正,一枚非球面ED镜片就能获得ED玻璃和校正像差的非球面镜片两种补偿效果。目前,AF-S Nikkor 24-70mm f/2.8E ED VR镜头便含有这种镜片。

适马公司也有第三种低色散镜片,称为FLD镜片("F" Low Dispersion,“F”低色散)。适马宣称这种镜片属于萤石级镜片,与天然萤石在性能方面几乎别无二致,是拥有极佳透光率的顶级超低色散镜片。

不过,从目前技术上看,玻璃镜片尚无法完全取代萤石镜片。FLD镜片或各种ED镜片校正色差的效果不用怀疑,但低色散镜片毕竟是光学玻璃,不具有极强的光谱透过率,它们对蓝紫光谱的吸收比较大。同一镜头中堆的片数过多会使蓝紫光谱被层层滤掉,从而产生一定的偏色现象,成为照片色调整体略微泛黄的一个原因。

上海水族馆

非球面镜片

非球面镜片

通常,球面镜片从镜片中心通过的光与边缘通过的光无法聚集为一个点,即产生所谓的球差。一般的处理方法是:减小球面的曲率(弧度),或与凹面镜组合。但这些办法无法完全修正球差,特别对于视角宽而明亮的大光圈镜头来说,更是难以修正。

采用了计算机自动解析技术的“非球面镜片”能够修正大光圈镜头的球差,实现从大光圈开始的没有色散的高对比度。另外,对于广角和标准变焦镜头,不仅是球差,在影像畸变方面的修正也非常有效。由于采用非球面镜片,减少了镜头的镜片数,可以设计出结构紧凑的镜头。

非球面镜片的运用效果见下图:

非球面镜片运用效果

非球面镜片根据所含材质,还可细分为:复合非球面镜片、玻璃非球面镜片。

复合非球面镜片

它将树脂塑造成非球面状,贴合在玻璃镜片表面而制成的镜片。佳能称之为“高精度树脂成型(PMo)非球面镜片”;尼康称之为“混合非球面镜片”;适马和腾龙则称之为“复合非球面镜片”。

玻璃非球面镜片

它是通过直接将光学玻璃压入高精度非球面模具中,再施以高压制作而成。佳能称之为“大口径玻璃模铸(GMo)非球面镜片”;尼康称之为“模压玻璃非球面镜片”;适马称之为“玻璃模铸非球面镜片”;腾龙称之为“玻璃铸造非球面镜片”。

现在市面在售的数码相机镜头,非球面镜片已成为标配。2014年,适马CEO宣布,旗下出品的镜头将全面使用玻璃非球面镜片。

XA镜片

提到非球面镜片,就一定要说说索尼自家研发的XA(eXtreme Aspherical)镜片,中文名称为“超级非球面镜片”。这种镜片的表面粗糙度仅0.01微米,采用索尼自家研发的全新铸模机制造,搭载XA镜片的镜头可适配在远高于4000万像素图像传感器的机身上。目前,六支GM镜头中,除了FE 100mm F2.8 STF GM OSS、FE 100-400mm F4.5–5.6 GM OSS外,其余四支都不同程度地配有XA镜片。

北京雍和宫

衍射镜片

洐射镜片

佳能称之为“多层衍射光学镜片”,也即,DO镜片;尼康称之为“菲涅尔相位镜片”,也就是PF镜片。这种镜片利用了反射光学镜片与折射光学镜片所产生的色像差正好相反的性质来抵消色像差,从而提供优异的色差性能。同时,DO镜片也使镜头轻便化、小型化,并带来更高的画质。见下图:

洐射镜片运用效果

目前,佳能在售的DO镜头有两款:EF70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM、EF400mm f/4 DO IS II USM;而尼康在售的PF镜头是:AF-S Nikkor 300mm f/4E PF ED VR。

霞浦围江之晨

BR镜片

BR镜片

该镜片是采用了BR光学元件(蓝色光谱折射光学元件)的复合镜片。BR光学元件具有能大幅折射蓝色光(短波长光)的特性,可实现更理想的色像差补偿效果。见下图:

BR镜片运用效果

目前只有佳能的EF35mm f/1.4L II USM镜头采用了BR镜片。

西安大雁塔

高折射率镜片

该镜片能提供相当于数枚普通镜片相组合的效果,而且能补偿像场弯曲和球面像差。同时,其高折射率和缩短光学系统长度的特性,能大大缩小镜头体积。目前,只有尼康和腾龙拥有这种镜片。尼康称之为“HRI镜片”,腾龙称之为“XR镜片”。

上海野生动物园

开总结会了,搬个凳子坐过来

说了这么多,可能会让你看得不耐烦(其实写的人也是强压耐心呐),好像看来看去不是校正这个差,就是校正那个差。我要说:这种认知是灰常正确滴!要给个赞!因为镜头工艺不断改进的目的就是为了无限接近“没有镜头”,也就是眼睛看到的效果。

再回过头研究那个问题,佳能“小白兔”的那几片玻璃为什么卖得辣末贵?先看看它的镜片配料吧:萤石镜片×1、UD镜片×5,也就是采用了上面讲到的最顶级的两种材质。虽然一支镜头的价格不完全由镜片决定,但镜片肯定是主要因素。再来看看这支镜头的结构图:

EF70-200mm f/2.8L IS II USM镜头结构图

看完了吗?看完了?散会!记着把凳子带走。

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