多組變焦技術

    在連續介紹了佳能鏡頭的鏡片、鍍膜、光學防抖以及對焦技術之后，今天我們為大家帶來《佳能頂級單反鏡頭探秘》系列文章的最后一篇——鏡頭結構與EMD。本文將為你詳細介紹佳能鏡頭內部的“機械電子一體化”以及“自動化控制”技術，相信看過本文后，你將對佳能鏡頭產生全新的認識。

    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連續變化并在變焦過程中保持焦點固定。在鏡頭內部，一系列透鏡沿著光軸移動改變鏡片間距以實現焦距變化的功能，同時另外一部分鏡片也要移動以修正距離改變導致的圖像變形。因此一個變焦鏡頭至少需要兩個能沿著光軸移動的透鏡組。下圖便是EF 28-80mm f/3.5-5.6 V USM變焦鏡頭的內部結構，此鏡頭是典型的兩組可移動透鏡結構。

    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與第二組鏡片同步移動以補償焦距的變化，因此第一組透鏡被稱為“修正器”，第二組透鏡叫“變焦器”。二組鏡片也承擔著焦點調整的任務。

    在普通小型變焦鏡頭里，首組透鏡有負折射性質(光線發散)，二組鏡片顯現正折射性質(光聚集)，這種變焦鏡頭普遍被設計成負焦距結構。如此的設計最適合于廣角變焦鏡頭。一來前組元件直徑很小，可以較容易地進行緊密設計，同時保證成本低廉；二來可以在短焦距位置更好地控制圖像的筒形畸變；其次，首組鏡片的設計結構也允許用戶可以在非常近的拍攝距離上成功對焦。

    然而這樣的鏡頭結構也有不足，如果變焦比設計得過大，則二組鏡片的移動距離會大大增加，令鏡頭規模難以小型化，光圈變化范圍也會受到影響。而且大變焦比鏡頭需要具有更大折射率的第二組透鏡，換句話說也就是仍然要用大量透鏡元件來補償像差，這樣會加大鏡頭的整體規模。總而言之，很難獲得具有大變焦比的小型鏡頭。

    多組變焦技術是佳能公司的科技項目中旨在移除小型變焦鏡頭無法獲得大變焦比局限的新型技術。多組變焦中負責變焦的鏡片不再是兩組，而是指定3到4組透鏡來共同實現。由于每組鏡片都需要在變焦過程中移動，每個透鏡組的移動量就變得小多了。另外，光圈大小變化也可以隨心設計，無需操心不得不使用復雜的光圈隔板裝置。

    在多組鏡片互相影響共同聚焦的過程中，每組透鏡都可以使用相對較低的折射率的設計。這樣成像時的像差就可以用相對較少的元件來消除。多組鏡片擴增了光學系統搭建的自由性和多樣性，比如可以專門設計透鏡組來互相削弱各自的像差畸變(交叉補償功能)。

    多組變焦技術在先進的鏡筒設計、良好的加工工藝支持下可以滿足大比例變焦鏡頭的設計需求。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，從而達到了小型化、大變焦比、出色成像質量共存的目標。

鏡組結構與EMD 佳能單反鏡頭探秘(2)

    后組對焦和內對焦

    相機鏡頭普遍的聚焦方式一種是“整組移動聚焦”，即對焦時所有鏡片組沿著中心軸線方向一起移動，另一種是“前組聚焦”，也就是只有鏡頭前面部分的鏡片移動。整組聚焦方式具備的優點在于當改變拍攝距離時，像差的變化不會很大，因此整組聚焦也就成為設計大部分定焦鏡頭使用的對焦模式。不過整組聚焦方式并不太適合長焦及超長焦鏡頭，因為這些鏡頭在重量和尺寸上實在不容易操作。前組聚焦方式廣泛用在變焦鏡頭中，這種設計使得鏡頭結構相對簡單，但是也會限制變焦倍率并且阻礙鏡頭的小型化發展。為了突破這兩種變焦方式的局限，佳能專門為長焦鏡頭組群研發出完美的聚焦模式——后組聚焦和內聚焦。這種設計允許鏡頭尾部及中部的鏡片移動以實現聚焦。在鏡頭內部，靠光圈位置后方(接近機身)光學元件的移動實現“后組聚焦”，“內聚焦”則是靠移動光圈和前組鏡片之間的元件來完成。

    如今除了EF系列的長焦鏡頭外，EF 16-35mm f/2.8L USM和其他一些變焦鏡頭也開始使用后組聚焦設計。由后組聚焦技術延伸出的浮動畫質補償技術也在廣角鏡頭上得到了應用，例如EF 14mm f/2.8L USM，EF 20mm f/2.8 USM以及EF 24mm f/2.8等。

    佳能后組聚焦設計的變焦鏡頭在快速對焦及手動對焦時的手感方面廣受稱贊，變焦時鏡頭長度固定的特點也令鏡頭更加密致、結實。另外，這一設計還能讓對焦環可以設置在鏡頭上最合適的位置，對焦過程中鏡頭也不會拉長或縮短，這使得鏡頭可以保持優良的平衡性能；并且濾鏡不隨對焦而旋轉，這讓偏振濾鏡也可以更隨心地操作。同時，相比以往的對焦方式，后組對焦鏡頭的對焦最小距離還可以縮減更多。

鏡組結構與EMD 佳能單反鏡頭探秘(3)

    鏡片浮動系統

    傳統鏡頭在設計像差修正時僅考慮到優化一個或至多兩個常用拍攝距離上的聚焦范圍內對焦點。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，而當被攝主體處于其他距離時，則像差可能會對成像帶來很大的影響。這種情況對光學對稱鏡頭來說影響較小，但對于負焦距鏡頭這種非光學對稱鏡頭而言則影響較大(負焦距鏡頭產生的像差會隨著焦距減小或光圈開大而越加明顯)。比如單反相機使用的廣角鏡頭為了達到在遠距離處對焦，需要使用負焦距設計，但是這樣一來會使得近距離對焦時出現非常明顯的像場彎曲，導致取景邊緣脫焦或取景中心脫焦(對取景框外圍對焦時)。

    為了保證鏡頭在任何距離對焦時都能具備出色成像能力，佳能研發出了“浮動鏡片系統”，其提點是鏡頭組在調整焦點過程中可以單獨移動以減小像差，形式上也就是“浮動”。佳能將這個系統用在了EF 24mm f/1.4L USM以及其他大光圈廣角鏡頭上來提升鏡頭近距離攝影的表現力，另外還有EF 180mm f/3.5L Macro USM等鏡頭也使用了浮動鏡片。

    同時，佳能也為后組對焦鏡頭設計了浮動鏡片，如EF 14mm f/2.8L USM鏡頭里的鏡片就分為前組和后組，對焦時只有后組參與移動。

    使用浮動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焦時會很明顯地影響成像。而這也正是“浮動鏡片系統”之所以出現在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鏡片技術與廣角鏡頭中的浮動技術不同，其后組鏡片完全固定而依靠改變其他元件的位置進行對焦。這種設計為攝影者提供了幾乎能夠完全避免眩光的高品質影像捕獲能力。

鏡組結構與EMD 佳能單反鏡頭探秘(4)

    全電子卡口與馬達驅動系統

    使用全電子卡口和內置馬達驅動系統是解決佳能相機機身對焦驅動缺陷的方案。全新的設計理念實現了安靜、平滑、快速且精準的對焦過程。新系統的出現也象征著佳能已經獲得超越傳統的對焦驅動單元并使用電子系統控制所有的數據傳輸以及控制信號。

    不論任何型號的EF鏡頭都可以按照特定自動對焦系統的不同特點安裝上與其最匹配的驅動元件，因此從魚眼鏡頭到超長焦距鏡頭都可以尋找到與其搭配最為合適的高速對焦系統。鏡頭內置馬達相比機身馬達而言，可控制的鏡頭規模更大，能夠輕松地帶動例如EF 600mm f/4L IS USM等超長焦鏡頭，并實現精確對焦。另外，由于電機在鏡頭中與驅動單元比鄰，因此能量在高效傳輸過程的損失微乎其微，同時噪聲也可以被控制在很小的范圍內。

    全電子卡口為日后新的對焦驅動系統搭建好了平臺，鏡頭內置馬達可以隨著更新換代而仍舊完好地匹配電子卡口或其他驅動系統，因此具有很強的潛力和兼容性。而為了能夠適應每一款鏡頭的不同需求，佳能開發出了5種驅動單元，即環形USM、微型USM、弧形馬達、無處理器通用型DC微型馬達和單處理器通用DC微型馬達。

鏡組結構與EMD 佳能單反鏡頭探秘(5)

    數字電控電磁驅動光圈EMD

    每一臺搭載了數字控制電磁驅動光圈的佳能EF鏡頭與全電子數據傳輸卡口都是黃金搭檔。電磁驅動光圈是一種光圈控制驅動器，設計外形適合安裝在圓形鏡頭中。EMD中集成了變形步進馬達和光圈葉片單元。光圈改變由電子脈沖信號控制，根據在相機機身上設定好的光圈值或是隨著相機微電腦的自動調控而改變光圈大小。

    由于光圈被步進馬達直接控制，因此光圈變化非常準確，起始結束的響應時間也非常短暫。而且機械光圈固有的結構被電子結構取代，這樣也使得轉換光圈時不會有惱人的噪聲。同時，景深預示功能也更加方便，按下“景深預示”扭即可，不必考慮曝光模式當下正放在手動或是自動。另外，因為相機機身不與光圈驅動系統直接連接，所以不論光圈安裝在鏡筒的任何位置都很方便。

    EMD的實際結構中用到了步進馬達和小齒輪來控制環狀光圈隔板葉片的移動。變形步進馬達為驅動系統提供動力，它利用磁石互相排斥或吸引的的性質使定子和轉子固定在各自位置。轉子會隨著每一次脈沖信號而旋轉，當機身發送的信號傳送到鏡頭內置的微電腦，電腦就會將這種信號轉換成脈沖信號并且進行電子操控，而光圈葉片則會被調整到正確的直徑大小，這也就是從相機發出光圈改變信號到鏡頭EMD系統完成光圈改變的全部過程。電磁驅動光圈在佳能可交換鏡頭的攝像機方面也用處頗廣，而且EMD的出現還促進了今日佳能移軸鏡頭的誕生。