鏡頭內部長啥樣?——《魅力時創》解剖鏡身詳解構造、焦距和視角

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上節課我們介紹了,佳能鏡頭的名稱由來以及組成部分。這堂課我們接著對佳能鏡頭的結構和焦距、視角進行學習。如果心裡有存在著疑問或者願意給小編提意見的朋友,可以編輯信息發送到我的郵箱,我會第一時間給予回覆。

解讀佳能鏡頭結圖


鏡頭內部長啥樣?——《魅力時創》解剖鏡身詳解構造、焦距和視角


鏡頭結構圖是鏡筒內部鏡片配置情況的圖示,準確顯示了各類鏡片的形狀、數量、組合情況。並按照不同的顏色,區分了非球面鏡片和UD(超低色散)鏡片等特殊鏡片,使各位朋友觀看時能夠一目瞭然。讀懂鏡頭結構圖,攝影愛好者能夠對鏡頭的材質、做工以及光學品質等有一個清醒的認識。

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圖為三種不同佳能鏡頭的結構圖示例,圖中藍色代表UD鏡片,紫色代表非球面鏡片,綠色代表螢石鏡片,黃色代表DO鏡片,紅色表示的是SWC亞波長結構鍍膜,與橫線(光軸中心)垂直交叉的豎線則表示光圈位置。

UD(超低色散)鏡片具有低折射、低色散特點,通過採用UD鏡片,能提高二次光譜的消除效果,兩片UD鏡片幾乎能與一片螢石鏡片的色像差補償性能媲美,廣泛應用於佳能各類鏡頭中。1993年,佳能公司開發出大幅度提高UD鏡片光學性能的“超級UD鏡片”一片超級UD鏡片可提供相當於約兩片UD鏡片的效能,進一步地為鏡頭的高性能化和小型化做出貢獻。

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低色散鏡片可以有效地降低成像時的色散,得到更清晰的圖像

非球面鏡片與球面鏡片相比最大的差異就是表面弧度不同。使用球面鏡片時,透鏡中間位置附近透過的光線會準確地匯到焦點的位置,但是邊緣部位則會出現扭曲現象,產生像差和色差,使得最終拍攝的照片模糊。而使用非球面鏡片,由於光線經過高次曲面的折射,可以改善鏡片邊緣部分對光的折射率,讓近軸光線與遠軸光線所形成的焦點位置重合,儘量把光線精確地聚焦於一點,使鏡頭的成像銳度提高。


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佳能早在1971年,就推出了配備研磨非球面鏡片的鏡頭。如今,研磨非球面鏡片也以其高精度應用於佳能L鏡頭中。研磨非球面鏡片之後,佳能又開發了玻璃模鑄非球面鏡片及複合非球面鏡片,普及於大多數鏡頭中。非球面鏡片使大光圈鏡頭成像仍保持高對比度,並有效矯正超廣角鏡頭的影像扭曲,對變焦鏡頭的小型化也出了貢獻。


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通過非球面鏡片的平行光結像於一點(非球面鏡頭能讓光線精確的聚焦於一點,投射到感光元件上,減輕鏡頭的像差和色差)

螢石( Fluorite)是在高溫時能夠散發光芒的神奇石頭,由於它擁有夏夜飛舞的黃火蟲一樣的美麗色彩,因此被命名為“螢石”。螢石是由氟化鈣(CaF2)結晶形成的,它明顯的特徵是折射率和色散極低,對紅外線、紫外線的透過率好。


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但值得關注的還有一點:它還具有一般光學玻璃無法實現的鮮豔、細膩的描寫性能。

光線通過一般透鏡產生的焦點偏離會出現顏色發散,使拍攝圖像的銳度下降,我們稱之為色差。螢石鏡片因為光的色散極少,幾乎沒有色差,所以最適用於攝影用的鏡頭。目前,在單反相機鏡頭上使用螢石的只有佳能,因其描寫的細膩性和高對比度,得到了全世界攝影師的高度讚賞。

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DO多層衍射光學元件是佳能公司根據反射光學鏡片與折射光學鏡片所產生的色像差正好相反的性質,研發出的一種層疊結構光學元件。一般情況下,鏡頭中透過鏡片的不同波長(顏色)的光折射率有微小差異,會造成色像差產生。衍射光學元件是在玻璃鏡片表面精密製成的微米級衍射光柵,並將光柵表面貼合在一起,利用此構造可以抵消折射所產生色像差的特性。


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使用DO鏡片能夠有效地降低色散

SWC亞波長結構膜是一種採用全新原理以防止光線反射的新鍍膜技術。一般來說,鏡頭表面由於鏡片玻璃和空氣邊界處折射率發生突然改變,會產生光線反射現象,造成眩光和鬼影,影響圖像畫質為抑制光線反射,空氣和玻璃之間的折射率應該逐漸減小,SWC亞波長結構鍍膜在鏡頭表面形成一個個小於可見光波長的顯微結構,這種結構能夠持續改變折射率,從而消除折射率會突然改變的邊界,實現比蒸汽鍍膜更理想的抑制反射效果,且與蒸汽鍍膜不同,即使光線入射角很大,其防反射的效果依然出色。

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佳能公司據此研究,將多片凸鏡與凹鏡結合在一起,開發出三層層積的D0多層衍射光學元件,並運用於鏡頭中減少鏡片使用數的基礎上、幾乎抵消了折射產生的色像差,提高了光線使用在保障鏡頭成像品質的基礎上,減少了鏡片的使用,實現鏡頭的小型化。


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兩組鏡片配合,可以有效抵制色散

解讀佳能鏡頭MTF圖

MTF (Modulation Transfer Function)是目前最精確的鏡頭性能測試方法,雖然這種方法無法測試鏡頭的邊角失光和防眩光特性,但可以對鏡頭的解像力和對比度等進行測試並有一個直觀的概念,因此,MTF圖可以作為選擇鏡頭的一個重要參考指標。

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在MTF圖中,圖表橫軸代表從中心向邊角的距離,單位是mm,最左邊是鏡頭中心,最右邊是鏡頭邊緣。圖表的縱軸代表鏡頭素質,通過鏡頭翻拍黑白漸變的線條標板進行測量,不同數值代表不同的鏡頭的反差還原狀況:1代表所得影像的反差和測試標板完全一樣;0.5代表所的影像的反差能還原50%;0代表反差完全喪失,黑白線條被還原為單一的灰色。


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圖為佳能EF16-35mmf/2.8 L II USM的MTF圖,在鏡頭的最短焦距16mm端和最長焦距35mm端各有一幅MTF圖,表示這兩端的鏡頭表現。如果是定焦鏡頭,則只有所用焦距的MF圖。

MTF圖中“線/毫米”這一單位的意思是,以1毫米寬度為單位,其中有多少條線。10線/毫米可以看出鏡頭的對比度數值,30線/毫米可以看出鏡頭的解像力數值。對於鏡頭來說,MTF曲線“越平越好,越高越好”,越平說明鏡頭邊緣和中心成像越一致,越高說明解像力和對比度越好。

為了顯示鏡頭在最大光圈和最佳光圈的效果,通常一個MTF圖會包含2組數據,也就是在鏡頭最大光圈和F8時的8條線。黑色4條線代表鏡頭在最大光圈時的MTF值,藍色4條線代表光圈在F8時的MTF值。

Tips:

對於佳能中端機以上來說,其感光元件大小約為225mm×15.0mm左右,從中心向邊角的距離最長約13.5mm(對角線長度的一半)甚至更長一些。因此,MTF圖中橫軸13.5之後的數值並不參與成像,可以忽略不計。

一般來說,10線/毫米在0.6以上,畫質尚可,實際使用沒有大問題;30線/毫米則是越高越好,這樣圖像會更銳利。


焦距與視角的關係鏡頭焦距的長短與感光元件的大小一樣,都會影響最終所拍攝畫面的視角大小。較短焦距所拍攝的大視角能接近180°,而較長焦距所拍攝的畫面視角則可能小於10°。焦距越長則視角越小,畫面中可容納的景物就會越少;焦距越短則視角越大,畫面中能夠容納的景物也越多。


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從17mm-300mm焦距,鏡頭視角從104°縮小到8°的視角範圍


Tips:

圖中的焦距和視角的關係都是以全畫幅感光元件為基礎的,感光元件尺寸不同,同樣焦距鏡頭的成像視角也不相同。因此,在使用非全畫幅感光元件的相機時,用戶要計算等效35mm焦距,這樣才是真正得到的視角。

等效35mm焦距是從對角線可視角度來定義的,全畫幅感光元件的對角線可視角度約為佳能中端機以上所採用感光元件的對角線可視角度的約1.6倍以上,因此,其視角與使用全畫幅相機搭配80m(50×1.6)焦距鏡頭所獲得的成像視角是相同的。


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