突破玻璃镜片限度的强补偿力:萤石镜片

突破玻璃镜片限度的强补偿力:萤石镜片

萤石是支撑佳能镜头高画质的一种重要材料。人们很早就发现,氟化钙结晶的萤石镜片与玻璃镜片组合能很大程度抑制色像差。但天然萤石的矿料个头小,之前只能用于显微镜的物镜等小型光学器材。佳能在追求影像品质提升的过程中,着眼于萤石镜片,以萤石矿料为原料,自主研发新技术,成功获得纯度高、体积大的人工萤石。并早在1969年5月发售了配备萤石镜片的镜头,也就是面向一般消费者的远摄镜头FL-F 300mm f/5.6

具备非常高性能的镜片——萤石镜片(2011年9月制作:4分31秒)※英文版

萤石镜片的色像差补偿原理及效果

所拍照片中,被摄体的轮廓上出现紫边。这就是色像差。除了紫边,还有画面整体好像染上彩霞的情况。这种现象与忠实呈现被摄体原貌的原则背道而驰。所以想要拍出清晰锐利的画面,一定要对色像差进行补偿。

树枝边缘部分出现紫色,这就是色像差。

树枝边缘部分出现紫色,这就是色像差。

色像差的产生是红色、绿色、蓝色等不同波长的光在通过玻璃的时候折射角度不同,造成不同色光的结像位置发生错位。一般来说,凸透镜和凹透镜折射方向相反,两种镜片组合起来可以抵消色像差。

通过凸透镜和凹透镜的组合补偿色像差
通过凸透镜和凹透镜的组合补偿色像差

通过凸透镜和凹透镜的组合补偿色像差

但是普通的玻璃镜片无法将所有波长的像差抵消干净,会有残存色像差(二次光谱)留存,于是就产生了红色等部分色光的色像差。不同种类的玻璃镜片,光的折射率也会有不同,想补偿残存色像差需要不同的镜片组合。但玻璃材质在补偿色像差上有自身的局限。玻璃材质无法补偿的部分,萤石就能发挥作用了。萤石与玻璃是完全不同的材质,光学特性上也有很大不同。经过组合搭配可实现更有效的色像差补偿效果。焦距越长,色像差越明显,所以远摄镜头上效果很好。

萤石凸透镜与玻璃凹透镜组合补偿色像差
萤石凸透镜与玻璃凹透镜组合补偿色像差

萤石凸透镜与玻璃凹透镜组合补偿色像差

佳能的萤石镜片以天然萤石为原料,可以获得玻璃镜片达不到的低折射率、低分散特性。且红色到绿色波长的分散情况与玻璃类似,但绿色到蓝色波长则更加分散,这是萤石特有的分散异常性。萤石的凸透镜与高分散性玻璃的凹透镜搭配,可抵消残存色像差,使镜头实现清晰锐利的高画质成像。

折射与分散
折射与分散

折射就是光通过玻璃等介质时在介质交界面改变行进方向的一种现象。改变的程度就是折射率。折射率根据光的颜色(波长)产生不同。不同颜色的光行进方向会发生偏差,这就是色分散。相对于玻璃镜片色分散的均匀,萤石的色分散并不均匀,所以是部分异常分散。

萤石镜片的诞生与远摄镜头画质的提升

萤石镜片具备不同寻常的光学补偿能力,可以大幅抑制色像差。萤石镜片的诞生要追溯到1966年8月启动的“佳能F计划”。为制造出更高性能的镜头,佳能的研究员觉得必须要开始新镜片素材的开发,并由此开始挑战人工萤石的制造。

人工萤石制造中的难点就在于它是结晶体。玻璃本来是指代非晶体的物质构成。所谓非晶体,就是构成物质的原子呈不规则排列,并形成固态物质。其特征是通过加热熔化可很容易地加工成各种形状。而萤石作为结晶体,构成原子是规则排列。将天然萤石打碎,去除杂质,并且完全按照其原本的原子构造规则令其重新结晶。想要实现这一过程非常困难。需要能在真空环境下,高精度控制1000℃以上高温的设备,才能获得高纯度的萤石大型结晶。F计划启动两年后的1968年,佳能攻克了一系列难题,成功合成出相机镜头上可以使用的大型人工萤石。

天然萤石

左侧是天然萤石。呈现绿色和紫色是因为晶体内含有杂质。中央的是佳能制造的人工萤石。
天然萤石加热后会发出梦幻般的光芒,好似萤火虫一般,所以被命名为萤石。就如同萤火虫只能生活在干净的水边,萤石如果不是高纯度的晶体也没法作为摄影用镜片绽放光芒。

萤石镜片的制造还有一大难题就是研磨。萤石比玻璃柔软脆弱,所以研磨方式不能沿用玻璃的。为此佳能有针对性地开发了新的研磨技术,研磨时间是玻璃镜片的4倍。第二年的1969年5月,萤石镜片终于实现了产品化。

佳能首款采用萤石镜片的相机用镜头FL-F 300mm f/5.6(1969年发售),在设计上加入了代表萤石光芒的绿圈,绿圈在当时成为采用萤石镜片的象征。

佳能首款采用萤石镜片的相机用镜头FL-F 300mm f/5.6(1969年发售),在设计上加入了代表萤石光芒的绿圈,绿圈在当时成为采用萤石镜片的象征。

攻克种种难题实现量产的FL-F300 mm f/5.6,以其鲜明的高对比度成像广受好评,活跃在新闻摄影等专业领域。
佳能之后又不断改进高温真空技术、温度控制技术以及研磨技术,在很多镜头中都采用了萤石镜片。并且为远摄镜头实现更高画质持续探索。

萤石的制造工程

萤石镜片的加工,表面上看也是切割、研磨等工序,好像与玻璃的加工工艺没有什么不同。但萤石镜片在整个加工过程中需要更细致的处理。

1.原材料
萤石镜片的原材料是天然的萤石矿料。

1.原材料

2.粉碎·精制
将作为原材料的萤石矿料粉碎,去除杂质后,放入碳纤维的罐子里。

2.粉碎·精制

3.重新结晶
在结晶炉里,上部是加热装置,可以将内部加热到1400℃。原材料的萤石溶解后,非常慢地一点一点将罐子向下移动,这样萤石就会从罐子底部开始重新结晶。

3.重新结晶

4.退火
退火就是结晶完毕后,去除晶体内部变形的工序。变形会造成晶体的开裂。所以退火就是将晶体加热到还不会溶解的温度,然后用长达数周的时间慢慢将其冷却到室温的温度,这样可以去除晶体内的变形。

4.退火

5.切割·粗加工
去除表面多余的部分,大致切割出镜片的形状。还要对晶体内部进行检查,看看有没有问题。

5.切割·粗加工

6.粗磨
上下两个表面研磨成球面,形成毛玻璃般的镜片。

6.粗磨

7.精磨
用黏满研磨剂的小球,将镜片表面研磨成半透明,且镜片尺寸也研磨到位。最后用特殊研磨剂去除镜片表面细微的痕迹。

7.精磨

8.蒸镀
在气压为大气的一百万到一亿分之一的高真空状态下将镀膜材料加热蒸发,在完成研磨的镜片表面镀上薄膜。

8.蒸镀

9.完成
用干涉仪检查精度。由有经验的技术人员进行检查,合格的镜片才能用于镜头的组装。

9.完成

配备萤石镜片的镜头(截止至2021年5月)

在FL-F 300mm镜头之后,佳能共有39款镜头产品运用了萤石镜片。萤石镜片不仅可以补偿色像差,还为镜头的小型轻量化做出了贡献。特别是大型远摄镜头中积极运用了萤石镜片。
在体育、新闻等领域活跃的专业摄影师,以及凭自身兴趣参与野鸟、火车、飞机等领域拍摄的摄影爱好者,都很喜欢这类高画质的超远摄镜头。

RF600mm F4 L IS USM(2021年发售)

RF600mm F4 L IS USM(2021年发售)