3 非球面镜诞生Lens III9706.ppt

1鏡頭 III非球面鏡 2非球面鏡誕生 非球面鏡的英文寫法是 Aspheric lens，最早成功量產並使用非球面鏡技術的，就是日本佳能 Canon。日本 Canon 公司在 1971 年時就推出了世界上第一支包含非球面鏡的可交換單眼相機可交換單眼相機（SLRSLR）鏡頭）鏡頭 FD 55mm f1.2 從此開創了鏡頭設計的新時代。1976 年佳能公司創新研製非球面鏡生產和製作技術，並將其縮小用於5mm電影機攝製鏡頭之中，也就是著名的K35系列。3最早利用非球面鏡技術製作最早利用非球面鏡技術製作出第一顆鏡頭的是 1966 年 Leitz(Leica)Noctilux 50mm f/1.2，這是著名 NOCTILUXNOCTILUX第一代的鏡頭，也是相當罕見大光圈（f/1.2）的設計，這顆鏡頭的結構採用4群6片設計，其中有兩片非球面鏡片（第一片和最後一片）用來矯正球面像差。由於 1966年打磨非球面鏡片的技術尚未成熟，製作難度相當高。由於成本實在太貴，且生產速度太慢，後來新版 NOCTILUXNOCTILUX 就不再採用非球面鏡設計。現存最早的非球面鏡頭是 1968年由日本 Nikon 公司所生產的 Nikkor(Nikon)OP Fisheye 10mm f/5.6 以及 Noct-Nikkor 58mm f1.2，這兩顆鏡頭並未大量普及生產，採特殊訂購方式，主要用於科學研究和工業領域。4成像品質成像品質球面鏡會產生許多像差像差，導致影像模糊失焦。克服上述像差，鏡頭設計者必須在鏡頭中使用很多片透鏡來補償。在成像品質成像品質提高的同時，鏡頭也就變得又大又沈。非球面鏡（Aspherical lens）適時出現，剛好可以在鏡頭的光學系統中，可以大幅度提高相機使用大光圈時的成像品質，減小廣角鏡頭的桶狀變形，一片非球面透鏡可以替代好幾片球面透鏡補償像差，能夠非常明顯地簡化鏡頭的光學設計，減小它的體積和重量。市面有不少迷你型的數位相機、傻瓜相機、APS相機之鏡頭，特別是變焦鏡頭，幾乎清一色的都採用了非球面鏡片，特別是3X以上光學變焦的鏡頭無不採用非球面鏡設計，以提高影像品質。5非球面鏡原理非球面鏡原理6球面鏡片(Spheric lens)非球面鏡片為什麼這麼神奇？首先，我們來看，一般相機鏡頭若是採用球面鏡片(Spheric lens)時，所形形成象差的問題成象差的問題。這是因為當不同波長的光線，以平行當不同波長的光線，以平行光軸入射後鏡片上不同的位置時，在平面（或稱底片光軸入射後鏡片上不同的位置時，在平面（或稱底片 /CCD/CCD）上不能聚焦成一點，因而影響影像的）上不能聚焦成一點，因而影響影像的 品質。品質。使用球面鏡的投影是開放分散的圓。非球面鏡片改變了鏡片呈現非球面的弧度，從鏡片邊緣看，你發現坡度不是完美的弧形。要選用哪種弧度，二次、三次曲線、甚至更高階層的計算公式，各家製造商都有其專利的計算方式。這些設計與計算就是方便光線入射到非球面鏡面時，光線能夠聚焦於一點，消除各種象差和變形(枕狀或桶狀)。這項特點，特別適用變焦鏡，因廣角造成桶狀變形而至望遠之枕狀變形之消除。7非球面鏡的極限非球面鏡技術被視為解決鏡頭設計複雜的萬靈丹。特別是電腦技術發達之後，過去需要用手和計算尺算到腦筋斷掉的坡度設計坡度設計，現在只要 CAD/CAM 就出來了。但是問題還是卡在製作的關節上，特別是因為光學原本就是相當傳統的技術與產業，向來重視經驗累積與傳承，即使在先進國家，最後的拋光拋光也常需要老師父幾十年工作經驗的一雙巧手，做最後修飾，才能成就出一件堪稱藝術品的精品。過往的非球面鏡之單價高昂，被視為精品中的精品才有資格享用。球面因為加工比較容易，在品管上也可以達到較高的良率，達到節省成本的目的，還是佔了鏡頭組成的大宗。8非球面鏡加工非球面鏡可以利用壓模方式大量生產，不需要經過複雜的手工處理，普及率提高，價格也大幅下降。加工方法反而又成為了限制非球面鏡發展的一道門檻。爲什麽所有的鏡頭都不用非球面鏡呢？關鍵在於模壓技術只能使用特定的玻璃材料才適合，不同材質的原料雖有更好的光學性能，可是卻會在玻璃冷卻過程中表面變形。模鑄技術限制了非球面鏡的實際尺寸，有待新技術或新科技加以解決。9色散的成因當太陽光通過不同的介質時，例如：玻璃或水，不同波長的光線因為會有不同的折射率，導致藍光、綠光和紅光會聚在不同焦點上。這就如同牛頓手上的三菱鏡一般，白光進入-七彩分色光線出來。就自然界來說，這是構成色彩的必要成分，可是就鏡頭來說，這樣的特質會形成影像上的大災難！特別是使用鏡片群組特多的變焦望遠鏡頭，面對這樣的難題可以說是非常的頭痛。10縱向與倍率色差 隨著相機工業自 19世紀興起，鏡頭的設計越來越複雜且具備更多的功能。不可避免的鏡頭設計工程師必須跟色差打交道，透過不斷的實驗和測試，光學玻璃所產生的影像色彩分散現象大致被分解為縱向色差，也就是聚焦中心部分會出現同心圓狀的色滲現象與倍率色差，在聚焦影像的周圍形成異色光斑，並從中心部分開始逐漸向邊緣部分擴大，而當鏡頭的焦距越長（望遠），色差也就越明顯。11天然螢石是最佳抗色差 早期的研究發現，天然螢石具有獨特的消除色差作用，但天然螢石結晶（Fluorite 又稱氟石）太小、太貴，無法運用在鏡片的製作上。直到1968年末，日本 CANON 公司首創以人工合成技術，完成了生產大片人造螢石（氟化鈣-CaF2）的目標，並于1969年推出首次採用螢石鏡片的鏡頭 Canon FL-F300 F5.6和FL-F500 F5.6，到了1973年，CANON更推出了著名的 FL300 F2.8螢石鏡頭。由於早期合成螢石鏡片的成本實在太高，稍後 CANON 又發展出另一種由光學玻璃混合專利氧化物的替代品，取名為低色散鏡片UD-Ultra Dispersion以及更進步的Super UD鏡片，混合 UD 與 螢石鏡片的鏡頭，在往後的三十年裡為 Canon 打下著名的 L鏡傳奇。12天然螢石13儘管 Canon 所開發的螢石鏡片名噪一時，可是早期的氟化鈣鏡片會使鏡頭的折射率產生偏差進而影響對焦，加上價格昂貴，不是一般的業餘攝影玩家所能普遍擁有。日本攝影龍頭的 Nikon 公司，也在 1972 年成功試產了合成 ED鏡片，命名為Extra-low Dispersion，不僅擁有極佳的銳利度表現，而且抗色差的性能不遜於 Canon 的 UD 系列。Nikon 也迫不及待的將這項產品應用在同年發表的 Nikkor 300mm f/2.8 ED 望遠鏡頭之中。Nikon 的技術帶來便宜又可靠的 ED 鏡片抗色散技術，因此被大量廣泛應用於天文望遠鏡、望遠鏡頭中。加上 Nikon 採用開放的行銷策略，將 ED 鏡片售與其他無法生產抗色散鏡片的廠商，逐步打開 ED 的知名度，而其效果也廣被大眾所接受。14其他抗色散鏡片的設計 19721985 Nikon 的鑲金邊鏡頭（使用 ED 鏡片的特殊標記），搭配 PENTAX、OLYMPUS 的大力支持，成功的向大眾行銷了使用ED低色散鏡片的鏡頭。ED與螢石鏡在性能表現上是一致地，不過 ED 的結構卻會吸收掉一些色光，特別是紅光色域，相對的螢石就沒有這樣的結果，因此螢石鏡頭可以表現的比ED更為明亮，更能表現出高反差的優異性能，也因此 Canon 的螢石鏡頭並未因 ED 的出現而消失。由於價位的因素，加上大眾普遍可以接受 ED 的效果，同為日本鏡頭設計大廠 TAMRON 開發出新一代的抗色散鏡片技術LD Low Dispersion。TAMRON 騰龍公司研究出一種特別處理的樹脂非球面表層，透過粘著的方式附在 LD玻璃鏡片上，形成LD-非球面混合鏡片，一舉解決掉抗色散與變焦變形兩大困擾。在 1995年 TAMRON 發表了這項技術的首次應用 AF 200-400mm f/5.6 LD zoom-the worlds first tele-zoom covering 400mm ultra telephoto，為世界上第一支可以變焦到 400mm 的望遠鏡頭。15抗色散鏡片技術發展而其他致力於抗色散鏡片技術發展的公司，還有，SIGMA開發了SLD/ELD 超低色散鏡片、MINOLTA的AD 低色散鏡片、TOKINA的SD鏡片以及 中片幅相機 MAMIYA 的ULD鏡片等。這一類廣泛使用抗色散鏡片的鏡頭，也有了一個新的標準，簡稱 APO鏡頭（APO 係英文Apochromatic 的簡寫，泛指通過精密的光學計算、鏡片研磨、鏡頭裝配等，生產出可以將三種色光聚焦於同一點，增加清晰度和色彩還原度之鏡頭產品）。絕大多數的APO鏡頭使用了低色散鏡片進行修正第二級頻譜的色差（correction of secondary spectrum），但並非所有的APO鏡頭一定都使用了低色散鏡片。16模糊照片 Canon 所設計的 Optical Image Stabilizer（簡稱 IS）為相當出色的防手振系統。1994 年 Nikon 就率先發表了 VR(Vibration Reduction)系統，只不過這套昂貴又複雜的設計卻是裝在一般傳統傻瓜相機上，這部名為 Nikon Zoom 700VR/700VR QD(其他地區或稱為 Zoom Touch 105 VR QD)雖是世界上第一部採用防手振設計的相機，過高的價格、錯誤的市場策略判斷，讓 700VR 賣得其差無比。17Nikon&Canon就在 Nikon 暫時放棄 VR 的當下，Canon 在 1995 年9月悄悄的上市了搭配 Optical Image Stabilizer 的第一支 135傳統相機鏡頭；Canon 這招主打專業影像市場的策略果然奏效，儘管當時售價高達 9萬日幣！一時之間卻也讓眾多攝影師們爭相傳頌這支 Canon EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM 傳奇體驗。1996-97 歐洲攝影大獎之年度鏡頭與最佳鏡頭（European awards:Lens of the Year and Best Lens）就頒給了它。除了獎項的肯定之外，最讓攝影師興奮的該是可以丟開沈重的腳架，直接手持著相機和鏡頭追拍運動中的景物了；畢竟當時唯一確保拍攝時不受震動的影響的方法就是使用三腳架。18Optical I Image S Stabilizer 的構造初期 Canon 所設計的光學補償技術採用了兩個浮動鏡片，搭配位於鏡頭中兩個的運動感應器，分別偵測水平與垂直方向的運動。透過感應器將運動頻率傳送給計算器藉以算出補償鏡片應該移動的角度，從而保持光軸(Optical Axis）的一致性。IS 雖會造成拍攝靜態影像時畫質的衰減（因為多增加了一組鏡片機構），但對於高倍望遠之生態、運動、新聞攝影等，有著非常大的助益。19光軸心至CCD表面20上圖左：正常光軸垂直投影在 CCD 或者是底片上。上圖右：由於使用者手持相機時會產生上下（垂直）、左右（水平）晃動，因此在按下快門時，光軸未必是在垂直之位置而形成了疊影，造成晃動模糊。下圖：透過補償鏡片的移動，讓光軸位置重新回復正常，使晃動的結果得到補償。光軸垂直投影在CCD上21防手振防手振鏡頭Nikon 在防手振防手振鏡頭的發展上雖處於創始者的地位，卻硬是被 Canon 倒打一耙；痛定思痛之後，Nikon 於 1996 年推出 80-400mm f/4.5-5.6D ED VR AF Zoom-Nikkor 意圖在規格上與品質上與 Canon 作一決戰。Canon 也不是省油的燈，陸陸續續推出多款以 IS 為號召的望遠鏡頭，搭配超音波馬達與螢石鏡片等，成功擄獲從記者到專業攝影師的選用。許多攝影玩家好奇 VR vs.IS 兩者的表現如何？畢竟從結構上來看，兩者，甚至與 Panasonic 新推出的 Mega O.I.S.系統都有異曲同工之妙。不管是 Nikon 或 Canon 都未曾公佈防手振系統更多的細節，但可以肯定的是兩者間最大差異應在於是演算法的不同。22傳統器材走入歷史，數位相機興起當傳統器材走入歷史，數位相機興起的同時，防手振科技是少數捱得過時間考驗且繼續蓬勃發展的相機應用技術。當鏡頭之光學防手振發展到極限時，2003年完成合併後的日本 KonicaMinolta 公司，在全新的 DYNAX 7D 數位機身上發表了 Anti-Shake 防手震功能，此一技術與 Nikon 和 Canon 最大不同處在於 Anti-Shake 採用了直接控管 CCD 浮移的作法，跳過了利用鏡頭浮動鏡片的思維，從根本解決了手振的問題，同時拍攝靜態景物也不會因為鏡頭結構的干擾而有失真的產生23消費型數位相機由於鏡頭固定，因此配置了一套 O.I.S.即敷使用。對應到 DSLR 上，如果你需要這樣的功能就必須花費添購具備 IS 或 VR 機能的鏡頭，如果你的拍攝任務涵蓋廣泛，必須要多種不同的鏡頭搭配，那麼花費的增加與行動力降低，都是你必須要考慮進去的因素。但有了 Anti-Shake 不管你手上使用了那一支鏡頭從廣角當望遠，甚至微距鏡頭也一樣可以有適當的手振修正。24電子防手振技術防手振技術電子防手振技術防手振技術主要應用在體積更小的電子產品，例如：照相手機、迷你 DV 或是輕便型之數位相機上。這型機種體積多半無法容納更複雜的裝置，只好透過高速連拍擷取其中較為清楚的畫面，或是利用特殊演算法修正模糊的相片。相比具備實體補償機能的光學或 CCD 技術，利用電子防手振技術的安全快門仍無法滿足極端場景下的需求。25安全快門什麼是安全快門？太慢的快門速度，例如：1/8秒，所拍出的畫面往往過於鬆散或是流於晃動。將1除以鏡頭的焦距，例如：200mm 鏡頭的安全快門就是 1/200秒 或 200分之一秒。當你半按快門測光對焦的同時，透過 LCD 或 顯示螢幕預測此一場景的快門讀數，如果高於 1/200秒（EX.1/400秒），那麼在此一望遠焦段下就不容易拍出模糊的畫面；反之，如果快門過低（EX.1/125秒），那麼畫面模糊的機率，將會隨著快門速度降低而不斷增加。26光圈設計由於 135mm傳統相機受限於固定規格的底片尺寸和鏡頭大小，望遠焦段越長的鏡頭，光圈就必需設計的更小。一般 200mm鏡頭之光圈多數可以做到 F2.8；400mm 以上的則必須縮到 F4.5 甚或者 F5.6。問題出在當望遠距離越遠，相對地鏡頭入光量就減少，再加上光圈因設計必須縮小，則快門必須更低以爭取更多的光量；可是望遠端距離越長，受晃動的可能性就越大，相對快門必須調高，這兩者的衝突形成了鏡頭設計者面臨無解的習題。27防手振 意義防手振在意義上可以有效的延長快門時間，例如將 1/125秒延長至 1/60、1/30 甚或者 1/15，這就是所謂三級（亦有稱三檔）快門時間延遲。這並不保證在此一快門時間內所拍得的畫面一定沒有晃動的問題，而是機率的發生會因 IS、VR 或者 Anti-shake 的應用而降低。例如：同一場景下，1/125秒之快門連拍 30張照片可以得到 90正確的曝光畫質；那麼每往下一級快門，就可能減少 1520的機率，當快門速度只有 1/15秒時，拍好照片的機率就可以能只有 10了。28光圈 Aperture光圈，英文原名為 Aperture；光圈先決使用的符號A就是這個英文字的縮寫！大多數的鏡頭光圈是一組內建在鏡頭之中可以活動的葉片，葉片組合有2、4、6、7片等，視相機的性能不同而有所改變。透過這些葉片開閉的大小，就可以控制透過這些葉片開閉的大小，就可以控制光線透過鏡頭進入相機內光量多寡光線透過鏡頭進入相機內光量多寡。29光圈值靠近鏡頭底部（見上圖紅框圈）即為光圈控制環，此環可以調整鏡頭上之f f/光圈值放大或縮小，一般 f值的標示如：f1.4、f2、f2.8、f4、f5.6、f8、f11、f 16、f 22、f32等等，且不管鏡頭大或小，長或短，這些標示是固定不變！這是因為光圈的公式為 F（焦距）/D（光圈開口的直徑）；30光圈值比一顆 50mm的鏡頭，在光圈 f8 之下，其光圈直徑開口應為 50mm/8=6.25mm。這樣的作法，光圈值就不會因為鏡頭焦距、鏡片大小的變化，而有不同的解釋；同學可藉由此公式代入圓面積公式（R），將光圈值比為等比級數，每一格光圈的進光量即成倍數衰減，例如：f2：f2.8 的進光量比是 1：(1/2)。31光圈值反比入光量光圈值反比入光量由於光圈標示值位於公式的分母，光圈值與入光量就成了反比！這一點常常會讓初學者搞混，誤以為光圈值越大所代表的入光量也越大。設定你的相機模式於光圈先決（A），調整光圈至 f2.8，半按快門測戶外實景光，假設你可以得到快門值 1/1000秒；那麼再把 f值調小如：f22，一樣的環境測光，則快門值降到 1/15秒；有了這個概念，一般攝影玩家所稱大光圈時，其實就是指 f 數越小的光圈值，即可很容易的區分出來了。32鏡頭的分類與規格 SIGMA新鏡頭發表之規格(見上圖）用來說明如何認識鏡頭；規格表中會有兩組光圈數據呢？這組光圈數據（F3.5-6.3)卻不是標示一個鏡頭最大到 最小光圈範圍，而是廣角-望遠端之最大光圈規格！這是因為大光圈鏡頭難得且昂貴，而多數的鏡頭最小光圈都設定在 F22/F32之譜。選擇標示出變焦鏡頭從最廣角端到最望遠端的光圈值有助於攝影者瞭解這顆鏡頭的價值。而另一組了解鏡頭數據就是焦距長度Focal Length(f)，簡單的說這組數據關係著主景物所呈現出來視野的寬窄與大小。3334不同的攝影需求，開發不同種類的鏡頭由於人類的兩眼平行臉孔上，所以視覺涵蓋範圍非常廣；相機鏡頭模擬人的視野範圍，但無法百分之百複製出我們視覺的世界，所以根據不同的攝影需求，開發出不同種類的鏡頭。而這些鏡頭又可以依據焦距區分為：定焦鏡頭(Fixed Focal Lenses，又稱標準鏡頭)、變焦鏡頭、廣角鏡頭、反射鏡頭、望遠鏡頭（定焦）、魚眼鏡頭與微距鏡頭(Close up Lenses)。上表中概略地將鏡頭分類、光圈、結構和畫角資訊列表供同學們參考。