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引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网)  

2010-07-29 01:44:36|  分类: 科学历史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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引用

cark_li20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网)

chapter 03 EF镜头技术剖析


引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

新一代APS-H尺寸CMOS

  20世纪80年代末,各大相机厂商都为单反系统自动化作出努力,其中Canon

在1987年毅然宣布放弃有近30年历史的FD接环,建立一套全电子化的接环系统── EF,配合EOS相机,让用户立即体验电子化带来的好处。电磁光圈、超声波马达、光学影像稳定器与及全时手动对焦功能,无一不是EF接环带来的成果,眼见现时竞技场上处处白炮,当日“转Mount”的决定不是一时之快,而是占领先机。再看看其他品牌的镜头发展,相信各位“Canon人”心中都已经有正面的答案。即使是手中毫不起眼的套装镜头,都隐藏了无数科技及智慧结晶,可见Canon的EF镜头确实与众不同!

电磁光圈(EMD)

引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

电磁光圈

  EF接环全电子化的设计,为每一镜头都带来电磁光圈叶片(Electro-Magnetic

Diaphragm),EMD将步进马达(Stepping Motor)及光圈叶片合成一个单元,当用户通过机身转盘发出电子信号后,相机内的微处理器会在照片曝光期间控制光圈孔大小,对比20多年前出现的机械光圈叶,EMD不论在精确度、操作宁静性、耐用度及可靠性都较以前作出改良,而且只要加大相关马达的驱动能力,EMD一样可以在大口径的大光圈镜身上使用。此外,EMD设计时已考虑到将来的升级潜力,故在1991年Canon成功推出全球首批拥有自动光圈叶的移轴镜头——TS-E系列,而其中的E就是表明它的曝光系统仍是全自动的。

超声波马达(USM)

引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

直径为62mm及77mm的环形超声波马达

  在1987年,Canon首度将环形超声波马达应用在EF 300mm f/2.8L USM镜头上,其安静性及超快的自动对焦性能,迅速成为体育摄影的一时佳话。其实,在EF镜头生产初期,AFD(Arc From Drive,弧型驱动马达)仍是当时的主导,只有两三支镜头才享有USM带来的优势。第一款面世的超声波马达名为环形超声波马达(Ring-type USM)。Ring-type USM利用两组不同相位的交流电压及压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic),令一个称为固定环(Stator)的弹性物质以30000Hz

的频率振动,然后以行进波(Travelling Wave)方式,将浮在固定环上的旋转环(Rotor)向左右两方持续转动。简单地说,整个系统以行进波产生的振动作为它的工作方式,而这款USM多使用在大光圈或望远镜头上,并且提供全时手动对焦功能。其后,Canon在1992年开发口径只有11mm的微型超声波马达(MicroUSM),它没有镜头口径上的限制,成本比Ring-type USM更低,可以广泛地用在不同焦距的小型镜头上。数年前,Canon再次开发长度及体积只有Micro USM一半的Micro USM II,并应用在EF 28-105mm f/4-5.6 USM及EF-S 18-55mmf/3.5-5.6 II USM等镜头之中。相比AFD,USM有低转速、高扭力与及瞬间启动和停止的制动能力,缩短对焦时间,而且它耗电低,效率高,操作时的音量更只是一般电磁马达的25%。

全时手动对焦(FTM)


20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)

环形超声波马达及全时手动对焦组件

  环形超声波马达的特殊构造——环形的结构带来全时手动对焦(Full-Time
Manual focusing,FTM)的便利。在维持半按快门期间,用户可以在不改动对焦模式的情况下扭动对焦环,灵活改变焦点的位置,而且在拍摄过程中,用户仍然可以注视取景器,尤其是在需要微调焦点的微距拍摄中,FTM的用处就更大。早期设计的USM镜头(如EF 85mm f/1.2L USM系列、EF 200mmf/1.8L USM),它们均是采用电子手动对焦方式,当机身电源被截断后便不能够调整焦点;而时至今日,大部分采用机械手动对焦方式的USM镜头则没有上述的限制。由于EF 50mm f/1.4 USM采用设计独特的机械齿轮组件,它是现时Canon唯一一支拥有FTM功能的Micro USM镜头。

光斑遮挡叶(Flare-cut Diaphragm)

20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)
EF 24mm f/1.4L USM也加入光斑遮挡叶

  光斑及鬼影都是因为光线在镜筒内反射而形成的俗称“光害”的现象,镜片反射的光害只需用上多层镀膜技术就可以解决,那么镜筒所形成的光斑又可以用什么方法来削减呢?光斑遮挡叶是方法之一。光斑遮挡叶就好像一道只有长方形空框的闸门,可将一些从不正常角度射入的光线挡住,令影像的对比度不受光害影响。24mmf/1.4L、28mm f/1.8及20-35mm f/3.5-4.5等镜头内建了这道“闸门”。

挡光沟槽(Light Blocking Groove)


引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

EF 16-35mm f/2.8L II USM的第14片镜片也加入相同的设计

引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

EF 24mm f/2.8镜头第6及第8片镜片备有阻挡有害光线的沟槽

  在部分EF镜头的镜片垂直面上加入已填充了防反光镀膜的沟槽,就好像光斑遮挡叶一样,将光斑及鬼影的形成减至最少。除了EF 24mm f/2.8外,部分广角变焦镜头(如EF 16-35mm f/2.8L II USM)也会加入类似的镜片,用以提升成像画质。

非球面镜片(Aspherical Lenses)

引用 20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(转自蜂鸟网) - 某虫 - Valhalla Rising

球面镜片无法将光束集中在1点,而非球面镜片可将光束集中

在1点,将像差问题减至最少

  早在数十年前,镜头内的镜片都是以球面镜片为主,当时是通过使用多块球面镜片及Air Lens(Air Lens其实是镜片之间的空隙,因光线在不同的材质中都有折射现象,故此Air Lens的1.0折射系数可用来平稳玻璃的折射效果)来消除镜头的不同像差问题。不过,当平行光束通过球面镜片后,光线无法完整地聚焦在一点上,要发展高素质的大光圈镜头及超广角镜头,球面镜的像差问题是急需解决的课题之一,而非球面镜的出现好像是及时雨。非球面镜边缘的弧度是经过精密计算及加工而制造出来。它的出现使大光圈镜头由中央及边缘都保持成像一致;在超广角镜上,还可有效改善像差及变形,使边缘的成像更好。早在20世纪60年代中期,Canon已致力研发非球面镜片,全电脑化的研磨及抛光程序可使精度达到0.02μm,相当于光线波长的1/32。在1971年,Canon便推出首支使用非球面镜片的镜头——FD 55mm

f/1.2AL。经过30多年发展,在E镜头内的非球面镜片都会采用以下的其中一种方法制作出来:

(1)高精度研磨非球面镜片;

(2)复合式非球面镜片;

(3)玻璃模造非球面镜片;

(4)塑料模造非球面镜片。

影像稳定器(IS)


20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)

当相机的快门按钮被半按下时,原本被固定了的防震镜片会开始处于悬浮的状
态,同时“震动感应器”就会开启。

20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)
“震动感应器”会感应到镜头因手震而引起的角度转变和移动速率,这些资料会被传送到相机的处理器。经相机处理后,会发出需要修正的数据传送回镜头内的光学防震组件。

20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)
镜头内的光学防震组件会依据信号作出平衡的动作反应,去修正各种不同程度的手震问题,以改善因手震带来的影像问题。

  1995年,Canon成功研制全球首支加入影像稳定器(Image Stabilizer,IS)的可交换式镜头——EF 75-300mm f/4-5.6 ISUSM,快门补偿效果为2级,IS镜头主要由两部分构成——震动侦测回转感应器及浮动修正镜片组件构成。震动侦测回转感应器会以0.5Hz~2000Hz的频率收集数据,将镜头在半按快门时的振幅记录下来,有关数据经微处理器处理及分析后,通过控制IS组件内的电磁线圈使浮动镜片不断修正移动并作出补偿,浮动镜片的位置分别由IS组件的红外线光电二极管及其电路板的感应装置所监察,矫正震动。1997年,Canon在原来的IS系统基础上开发出IS Mode 2拍摄模式,并将它率先引入在EF 300mm f/4L IS USM身上。当使用IS Mode 2时,系统只会单方向(垂直或水平)为影像作出修正,使用户进行摆镜(Pan镜)拍摄时,不会因为IS镜片在同一方向作出修正而干扰用户原来拍摄的画面。其后,Canon在1999年、2001年及2006年分别引进第2、3及4代IS系统,不但在第2代引入脚架检测装置,而且系统的修正补偿能力由第3代的3级提升至最新的4级,令用户可以
在低光环境下以更低速的快门拍摄清晰的影像。

多层衍射光学镜片(DO)

20年的成就-佳能EF镜头技术剖析(一)
DO镜片配合传统折射光学镜片使用,能有效解决色散问题

  当光线通过障碍物的其中一端时,就会出现俗称“衍射”(Diffraction)现象,光线的前进方向因而改变。Canon在2001年利用衍射光学元素内的衍射栅格改变光线前进路线,制造出多层衍射光学(Diffractive Optics,DO)镜片,并应用在EF 400mm f/4 DO IS USM镜头身上。以往折射光学镜片的色散构成方式分别以蓝、绿、红波长顺序排列,而DO镜片最大的特色是其色散构成方向刚好与一般折射镜片相反,以红、绿、蓝的波长方式排列,所以当以往的折射光学镜片跟DO镜片一同使用时,它们两者的相互作用刚好把色散几乎完全消除。除此之外,通过改变DO镜片栅格内的空隙更可获到非球面镜修正球面镜像差的效果,可见DO镜片的用处的确很大。首支运用DO镜片的EF 400mm f/4 DO IS USM采用了双层DO技术。通过新技术,Canon可将以往由传统折射光学设计的400mm f/4镜头的重量和长度分别减少31%及27%,重量只有1940g,比EF 300mm f/2.8L IS USM轻近24%,更方便携带。3年后(即2004年),Canon在广受欢迎的70/75-300mm系列引入三层DO镜片,推出EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM镜头,足足较后来采用折射光学的EF 70-300mmf/4-5.6 IS USM镜身长度短了近30%,为用户设计出更短小而轻巧的镜头。

 

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