镜头制造工序好镜头贵在何处？

2018-08-10

影像视觉 2018年5期

我们在佳能宇都宫市工厂探索高品质镜头的制作过程。

在介绍器材时，我们通常会用巨大的篇幅介绍新机身的各种功能特性、操控手感以及性能表现，换成镜头后介绍的篇幅只有寥寥数行。对于镜头来说这有些不公平，其实在摄影师眼中，有时候镜头比机身更重要，一些摄影师会对特定镜头产生特别的感情，哪怕机身更新了两三代，镜头仍然保持不变。从保值角度讲，经典镜头贬值速度远比同年代的数码机身慢得多，一些镜头的价格甚至还会略微走高。

造就以上两点原因是因为优秀镜头具有经典的设计且制造成本不菲。现在，镜头的设计变得越来越复杂，考虑因素也更加丰富，无论镜片还是镜身其他部分使用的材料也更加多种多样。制造周期也变得越来越长，有些工序还需要经验丰富的手工操作，即使使用机器代替人工，设计程序以及调试过程也会非常耗时。

镜头可不是简单的一堆玻璃

使用现在的技术，把玻璃制造成特定的形状并不算难，但镜头毕竟不是一堆玻璃，它需要精确的设计安排才能达到想要的效果。在设计镜头时，设计师需要考虑玻璃的各种特性，比如对（不同波长）可见光的透过率，化学稳定性以及热稳定性等等，当然还要考虑塑形时的难易程度。

对于玻璃本身，光学设计师更多考虑的是其使光线偏折的能力。利用这一点，镜头才能让光线重新汇聚到传感器上实现成像。不过，就像三棱镜一样，镜片在令光线偏折时会对不同颜色（波长）的光产生偏折程度不同的问题，这会对镜头成像造成严重的影响，也就是我们常说的色差。为了消除色差，镜头往往需要更多的镜片，利用不同特性和形状的镜片消除上面描述的三棱镜效应。

如今，能够用在镜头上的材料越来越多，这意味着更好的玻璃制造厂能够支持镜头制造商制造出更多新品种的镜头。当然，这些新品种的玻璃也能用于优化现有的镜头，令它们成像变得更好，或者变得更小。

玻璃的三棱镜效应又被称为色散，色散的程度用阿贝指数表明。而令光线偏折的能力则可用折射率表明。不同种类的玻璃，这两项特性参数不同。比如，火石玻璃（玻璃的一类）拥有高折射率和高阿贝指数（低三棱镜效应），而冕牌玻璃（玻璃的另一类）相反，拥有低折射率和高阿貝指数。我们在镜头介绍中经常见到的LD（Low dispersion低色散），ED（ Extra-Iow Dispersion特低色散）以及UD（ Ultra-IowDispersion超低色散）其实都与上面提到的阿贝指数有关，色散越低的玻璃一般价格也越高，质地也越软，它们是控制镜头色差的关键材料。

谈到低色散镜片就不得不提萤石镜片，萤石拥有比UD玻璃更低的色散，因此是制造长焦镜头的极佳材料。与此同时，萤石相对UD玻璃更高的折射率还意味着镜头可以被造得更短小。这两项特性都让萤石成为镜头制造商手中的王牌材料，然而自然萤石往往带有杂质，纯净的小块萤石曾经被用于制造显微镜的物镜，但是用于摄影镜头的萤石镜片是自然萤石无法实现的，因此只能通过人工合成的方式取得。1960年，佳能第一个开发出人工制造摄影用萤石镜片的技术，之后逐渐应用萤石镜片的佳能L系列镜头在行业内名声大噪。

此外，还有一类镜片也特别适合用于长焦镜头，它们叫做DO（Diffractive Optic衍射镜片）镜组，它们利用镜片，的微观结构偏转光线（还不会造成色散），不仅可以代替传统镜片还可以大幅度减轻镜片的厚度和重量。不过曾经的衍射镜组会造成严重的散射和眩光，严重影响拍摄效果。随着工艺技术的更新，这些问题已被解决，我们现在已经可以看到市面上已经有一些使用DO镜组的超短超轻的长焦镜头了。

值得一提的是佳能目前还独有BR（蓝色谱异常折射）镜组，佳能利用这项技术成功生产出L系列镜头（EF 35mm f/1.4 II）。这项技术的引入使得镜头在设计层面具有更多的可能性。需要指出的是BR镜片使用的材料并不是一种玻璃，而是一种特别的树脂材料。球面镜片VS非球面镜片

现代镜头都拥有复杂的镜组结构，而这些结构又是由分散的镜组构成的。这些镜组可以是单独的镜片，也可以是两片甚至三片镜片胶合在一起构成的。这些镜组在镜头中会起到不同的作用，比如令变焦镜头改变焦距（视角）的变焦组，还有让镜头改变焦点的对焦组等等。对于单片的镜片又可以分为球面镜片和非球面镜片。

镜头中大多数的镜片都是球面镜片，顾名思义这些镜片的表面是球面的一部分，它们有些曲度大有些曲度小，有些是凸透镜有些是凹透镜，它们制造起来较为简单，因此价格也便宜。

不过球面镜片并不是用来制造镜头的完美组件，单纯用球面镜片会积累这类镜片对画质造成的削弱（球差）从而影响整支镜头的表现。所以在一些高端镜头上你还会看到另一类镜片，也就是非球面镜片。非球面镜片的表面呈现不规则的曲面，具体形状需要精妙的设计。制造非球面镜片需要更加精确的工序。虽然打磨非球面镜片的原理与球面镜片相同，但非球面镜片不规则的曲率变化需要其在不同的机器中打磨多次才能成形，整个过程要比球面镜片复杂得多，因此价格也要昂贵得多。

除了打磨法，铸模法也是制造非球面镜片的办法。将融化的玻璃注入精确的模具中就能得到非球面镜片。不过实际过程并没有描述的这么容易。因为镜片在冷却过程中会变形，变形的程度与温度变化和玻璃的成分息息相关，因此在设计模具时需要综合考虑各种因素。佳能将这样制造出来的镜片叫做GMO（玻璃铸模镜片）。随着人们对这项技术的熟悉，越来越多的高精度GMO被用在了高级镜头上，它们通常都有着巨大的直径，在超广角镜头上最为常见。

镜头设计流程

新镜头总在从画质更佳、重量更轻、体积更小、更易制造等等角度出发，这些都对镜头设计部门不断提出挑战。接下来我们将为你介绍一支新镜头的设计流程。

1.需求

在佳能，所有的需求来自用户的反馈和建议，佳能会将此作为最高优先级。此外，新材料或者新工艺也会直接催生新镜头或者老镜头的优化版诞生。

2.设计

这一步将会在极其复杂的CAD软件中进行，设计过程中不仅会考虑到玻璃的光学特性，还会初步考虑到制造过程中的误差，并用来模拟产品生产的难易程度。通过此步的方案会制作实体样本。

3.可能性

上一步通过的方案明镜头的光学设计达标，接下来就是镜头开发部门介入的时间了。他们会充分考虑镜头制造的各个环节，并调试机器，以求最大生产效率和最高的生产水准。

4.制造

佳能宇宫都工厂拥有先进的制造机械，比如可以自动校正误差的镜头打磨机器。但更重要的是经验丰富的工人，无论是训练机器、组装镜头还是测试镜头，都需要技艺精湛的工人参与完成。

5.自动化

优化后的流程可以实现高度自动化，并且可以在佳能的其他工厂轻松快速复制。不过最精细的手工部分流程仍需要在宇宫都工厂中完成，这也就是为什么所有L镜头的诞生地都在这里的原因。