鏡組結(jié)構(gòu)與EMD 佳能單反鏡頭探秘

多組變焦技術(shù)

    在連續(xù)介紹了佳能鏡頭的鏡片、鍍膜、光學(xué)防抖以及對(duì)焦技術(shù)之后，今天我們?yōu)榇蠹規(guī)��?lái)《佳能頂級(jí)單反鏡頭探秘》系列文章的最后一篇——鏡頭結(jié)構(gòu)與EMD。本文將為你詳細(xì)介紹佳能鏡頭內(nèi)部的“機(jī)械電子一體化”以及“自動(dòng)化控制”技術(shù)，相信看過(guò)本文后，你將對(duì)佳能鏡頭產(chǎn)生全新的認(rèn)識(shí)。

    變焦鏡頭也被稱為“拉伸鏡頭”，拉伸鏡頭允許焦距在特定范圍內(nèi)連續(xù)變化并在變焦過(guò)程中保持焦點(diǎn)固定。在鏡頭內(nèi)部，一系列透鏡沿著光軸移動(dòng)改變鏡片間距以實(shí)現(xiàn)焦距變化的功能，同時(shí)另外一部分鏡片也要移動(dòng)以修正距離改變導(dǎo)致的圖像變形。因此一個(gè)變焦鏡頭至少需要兩個(gè)能沿著光軸移動(dòng)的透鏡組。下圖便是EF 28-80mm f/3.5-5.6 V USM變焦鏡頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此鏡頭是典型的兩組可移動(dòng)透鏡結(jié)構(gòu)。

    兩組鏡片中的后方即第二組起到控制焦距作用，鏡頭前端的首組鏡片會(huì)與第二組鏡片同步移動(dòng)以補(bǔ)償焦距的變化，因此第一組透鏡被稱為“修正器”，第二組透鏡叫“變焦器”。二組鏡片也承擔(dān)著焦點(diǎn)調(diào)整的任務(wù)。

    在普通小型變焦鏡頭里，首組透鏡有負(fù)折射性質(zhì)(光線發(fā)散)，二組鏡片顯現(xiàn)正折射性質(zhì)(光聚集)，這種變焦鏡頭普遍被設(shè)計(jì)成負(fù)焦距結(jié)構(gòu)。如此的設(shè)計(jì)最適合于廣角變焦鏡頭。一來(lái)前組元件直徑很小，可以較容易地進(jìn)行緊密設(shè)計(jì)，同時(shí)保證成本低廉；二來(lái)可以在短焦距位置更好地控制圖像的筒形畸變；其次，首組鏡片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也允許用戶可以在非常近的拍攝距離上成功對(duì)焦。

    然而這樣的鏡頭結(jié)構(gòu)也有不足，如果變焦比設(shè)計(jì)得過(guò)大，則二組鏡片的移動(dòng)距離會(huì)大大增加，令鏡頭規(guī)模難以小型化，光圈變化范圍也會(huì)受到影響。而且大變焦比鏡頭需要具有更大折射率的第二組透鏡，換句話說(shuō)也就是仍然要用大量透鏡元件來(lái)補(bǔ)償像差，這樣會(huì)加大鏡頭的整體規(guī)模。總而言之，很難獲得具有大變焦比的小型鏡頭。

    多組變焦技術(shù)是佳能公司的科技項(xiàng)目中旨在移除小型變焦鏡頭無(wú)法獲得大變焦比局限的新型技術(shù)。多組變焦中負(fù)責(zé)變焦的鏡片不再是兩組，而是指定3到4組透鏡來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。由于每組鏡片都需要在變焦過(guò)程中移動(dòng)，每個(gè)透鏡組的移動(dòng)量就變得小多了。另外，光圈大小變化也可以隨心設(shè)計(jì)，無(wú)需操心不得不使用復(fù)雜的光圈隔板裝置。

    在多組鏡片互相影響共同聚焦的過(guò)程中，每組透鏡都可以使用相對(duì)較低的折射率的設(shè)計(jì)。這樣成像時(shí)的像差就可以用相對(duì)較少的元件來(lái)消除。多組鏡片擴(kuò)增了光學(xué)系統(tǒng)搭建的自由性和多樣性，比如可以專門(mén)設(shè)計(jì)透鏡組來(lái)互相削弱各自的像差畸變(交叉補(bǔ)償功能)。

    多組變焦技術(shù)在先進(jìn)的鏡筒設(shè)計(jì)、良好的加工工藝支持下可以滿足大比例變焦鏡頭的設(shè)計(jì)需求。EF 28-90mm f/4-5.6 III、EF 24-85mm f/3.5-4.5 USM、EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS USM等鏡頭中都使用了多組變焦技術(shù)，從而達(dá)到了小型化、大變焦比、出色成像質(zhì)量共存的目標(biāo)。

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    后組對(duì)焦和內(nèi)對(duì)焦

    相機(jī)鏡頭普遍的聚焦方式一種是“整組移動(dòng)聚焦”，即對(duì)焦時(shí)所有鏡片組沿著中心軸線方向一起移動(dòng)，另一種是“前組聚焦”，也就是只有鏡頭前面部分的鏡片移動(dòng)。整組聚焦方式具備的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)改變拍攝距離時(shí)，像差的變化不會(huì)很大，因此整組聚焦也就成為設(shè)計(jì)大部分定焦鏡頭使用的對(duì)焦模式。不過(guò)整組聚焦方式并不太適合長(zhǎng)焦及超長(zhǎng)焦鏡頭，因?yàn)檫@些鏡頭在重量和尺寸上實(shí)在不容易操作。前組聚焦方式廣泛用在變焦鏡頭中，這種設(shè)計(jì)使得鏡頭結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是也會(huì)限制變焦倍率并且阻礙鏡頭的小型化發(fā)展。為了突破這兩種變焦方式的局限，佳能專門(mén)為長(zhǎng)焦鏡頭組群研發(fā)出完美的聚焦模式——后組聚焦和內(nèi)聚焦。這種設(shè)計(jì)允許鏡頭尾部及中部的鏡片移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)聚焦。在鏡頭內(nèi)部，靠光圈位置后方(接近機(jī)身)光學(xué)元件的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)“后組聚焦”，“內(nèi)聚焦”則是靠移動(dòng)光圈和前組鏡片之間的元件來(lái)完成。

    如今除了EF系列的長(zhǎng)焦鏡頭外，EF 16-35mm f/2.8L USM和其他一些變焦鏡頭也開(kāi)始使用后組聚焦設(shè)計(jì)。由后組聚焦技術(shù)延伸出的浮動(dòng)畫(huà)質(zhì)補(bǔ)償技術(shù)也在廣角鏡頭上得到了應(yīng)用，例如EF 14mm f/2.8L USM，EF 20mm f/2.8 USM以及EF 24mm f/2.8等。

    佳能后組聚焦設(shè)計(jì)的變焦鏡頭在快速對(duì)焦及手動(dòng)對(duì)焦時(shí)的手感方面廣受稱贊，變焦時(shí)鏡頭長(zhǎng)度固定的特點(diǎn)也令鏡頭更加密致、結(jié)實(shí)。另外，這一設(shè)計(jì)還能讓對(duì)焦環(huán)可以設(shè)置在鏡頭上最合適的位置，對(duì)焦過(guò)程中鏡頭也不會(huì)拉長(zhǎng)或縮短，這使得鏡頭可以保持優(yōu)良的平衡性能；并且濾鏡不隨對(duì)焦而旋轉(zhuǎn)，這讓偏振濾鏡也可以更隨心地操作。同時(shí)，相比以往的對(duì)焦方式，后組對(duì)焦鏡頭的對(duì)焦最小距離還可以縮減更多。

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    鏡片浮動(dòng)系統(tǒng)

    傳統(tǒng)鏡頭在設(shè)計(jì)像差修正時(shí)僅考慮到優(yōu)化一個(gè)或至多兩個(gè)常用拍攝距離上的聚焦范圍內(nèi)對(duì)焦點(diǎn)。因此，這些鏡頭能夠在某些特定的攝距上獲得非常好的影像，而當(dāng)被攝主體處于其他距離時(shí)，則像差可能會(huì)對(duì)成像帶來(lái)很大的影響。這種情況對(duì)光學(xué)對(duì)稱鏡頭來(lái)說(shuō)影響較小，但對(duì)于負(fù)焦距鏡頭這種非光學(xué)對(duì)稱鏡頭而言則影響較大(負(fù)焦距鏡頭產(chǎn)生的像差會(huì)隨著焦距減小或光圈開(kāi)大而越加明顯)。比如單反相機(jī)使用的廣角鏡頭為了達(dá)到在遠(yuǎn)距離處對(duì)焦，需要使用負(fù)焦距設(shè)計(jì)，但是這樣一來(lái)會(huì)使得近距離對(duì)焦時(shí)出現(xiàn)非常明顯的像場(chǎng)彎曲，導(dǎo)致取景邊緣脫焦或取景中心脫焦(對(duì)取景框外圍對(duì)焦時(shí))。

    為了保證鏡頭在任何距離對(duì)焦時(shí)都能具備出色成像能力，佳能研發(fā)出了“浮動(dòng)鏡片系統(tǒng)”，其提點(diǎn)是鏡頭組在調(diào)整焦點(diǎn)過(guò)程中可以單獨(dú)移動(dòng)以減小像差，形式上也就是“浮動(dòng)”。佳能將這個(gè)系統(tǒng)用在了EF 24mm f/1.4L USM以及其他大光圈廣角鏡頭上來(lái)提升鏡頭近距離攝影的表現(xiàn)力，另外還有EF 180mm f/3.5L Macro USM等鏡頭也使用了浮動(dòng)鏡片。

    同時(shí)，佳能也為后組對(duì)焦鏡頭設(shè)計(jì)了浮動(dòng)鏡片，如EF 14mm f/2.8L USM鏡頭里的鏡片就分為前組和后組，對(duì)焦時(shí)只有后組參與移動(dòng)。

    使用浮動(dòng)鏡片的另一收益是避免球面像差，球差失真在大光圈近距離對(duì)焦時(shí)會(huì)很明顯地影響成像。而這也正是“浮動(dòng)鏡片系統(tǒng)”之所以出現(xiàn)在EF 50mm f/1.2L USM、EF 85mm f/1.2L II USM、EF-S 60mm f/2.8 Macro USM等大光圈鏡頭中的重要因素。這些定焦鏡頭中使用的浮動(dòng)鏡片技術(shù)與廣角鏡頭中的浮動(dòng)技術(shù)不同，其后組鏡片完全固定而依靠改變其他元件的位置進(jìn)行對(duì)焦。這種設(shè)計(jì)為攝影者提供了幾乎能夠完全避免眩光的高品質(zhì)影像捕獲能力。

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    全電子卡口與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

    使用全電子卡口和內(nèi)置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是解決佳能相機(jī)機(jī)身對(duì)焦驅(qū)動(dòng)缺陷的方案。全新的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了安靜、平滑、快速且精準(zhǔn)的對(duì)焦過(guò)程。新系統(tǒng)的出現(xiàn)也象征著佳能已經(jīng)獲得超越傳統(tǒng)的對(duì)焦驅(qū)動(dòng)單元并使用電子系統(tǒng)控制所有的數(shù)據(jù)傳輸以及控制信號(hào)。

    不論任何型號(hào)的EF鏡頭都可以按照特定自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的不同特點(diǎn)安裝上與其最匹配的驅(qū)動(dòng)元件，因此從魚(yú)眼鏡頭到超長(zhǎng)焦距鏡頭都可以尋找到與其搭配最為合適的高速對(duì)焦系統(tǒng)。鏡頭內(nèi)置馬達(dá)相比機(jī)身馬達(dá)而言，可控制的鏡頭規(guī)模更大，能夠輕松地帶動(dòng)例如EF 600mm f/4L IS USM等超長(zhǎng)焦鏡頭，并實(shí)現(xiàn)精確對(duì)焦。另外，由于電機(jī)在鏡頭中與驅(qū)動(dòng)單元比鄰，因此能量在高效傳輸過(guò)程的損失微乎其微，同時(shí)噪聲也可以被控制在很小的范圍內(nèi)。

    全電子卡口為日后新的對(duì)焦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭建好了平臺(tái)，鏡頭內(nèi)置馬達(dá)可以隨著更新?lián)Q代而仍舊完好地匹配電子卡口或其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此具有很強(qiáng)的潛力和兼容性。而為了能夠適應(yīng)每一款鏡頭的不同需求，佳能開(kāi)發(fā)出了5種驅(qū)動(dòng)單元，即環(huán)形USM、微型USM、弧形馬達(dá)、無(wú)處理器通用型DC微型馬達(dá)和單處理器通用DC微型馬達(dá)。

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    數(shù)字電控電磁驅(qū)動(dòng)光圈EMD

    每一臺(tái)搭載了數(shù)字控制電磁驅(qū)動(dòng)光圈的佳能EF鏡頭與全電子數(shù)據(jù)傳輸卡口都是黃金搭檔。電磁驅(qū)動(dòng)光圈是一種光圈控制驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)外形適合安裝在圓形鏡頭中。EMD中集成了變形步進(jìn)馬達(dá)和光圈葉片單元。光圈改變由電子脈沖信號(hào)控制，根據(jù)在相機(jī)機(jī)身上設(shè)定好的光圈值或是隨著相機(jī)微電腦的自動(dòng)調(diào)控而改變光圈大小。

    由于光圈被步進(jìn)馬達(dá)直接控制，因此光圈變化非常準(zhǔn)確，起始結(jié)束的響應(yīng)時(shí)間也非常短暫。而且機(jī)械光圈固有的結(jié)構(gòu)被電子結(jié)構(gòu)取代，這樣也使得轉(zhuǎn)換光圈時(shí)不會(huì)有惱人的噪聲。同時(shí)，景深預(yù)示功能也更加方便，按下“景深預(yù)示”扭即可，不必考慮曝光模式當(dāng)下正放在手動(dòng)或是自動(dòng)。另外，因?yàn)橄鄼C(jī)機(jī)身不與光圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接連接，所以不論光圈安裝在鏡筒的任何位置都很方便。

    EMD的實(shí)際結(jié)構(gòu)中用到了步進(jìn)馬達(dá)和小齒輪來(lái)控制環(huán)狀光圈隔板葉片的移動(dòng)。變形步進(jìn)馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，它利用磁石互相排斥或吸引的的性質(zhì)使定子和轉(zhuǎn)子固定在各自位置。轉(zhuǎn)子會(huì)隨著每一次脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)身發(fā)送的信號(hào)傳送到鏡頭內(nèi)置的微電腦，電腦就會(huì)將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)并且進(jìn)行電子操控，而光圈葉片則會(huì)被調(diào)整到正確的直徑大小，這也就是從相機(jī)發(fā)出光圈改變信號(hào)到鏡頭EMD系統(tǒng)完成光圈改變的全部過(guò)程。電磁驅(qū)動(dòng)光圈在佳能可交換鏡頭的攝像機(jī)方面也用處頗廣，而且EMD的出現(xiàn)還促進(jìn)了今日佳能移軸鏡頭的誕生。