L镜头世界研发与生产 L镜头世界研发与生产

L镜头世界研发与生产

远大的理想与现实的阻碍。
多年来,人们始终对L级镜头寄予厚望。为了充分发挥EOS相机的出色画质,佳能开发人员的光学设计需要不断突破图像分辨率和对比度边界。佳能坚持不懈地寻求多种解决方案来满足时代的需求,不仅开发了新型技术和产品,还建立了与产品化相关的生产流程和系统。现在,让我们一起探索佳能的研发与生产设施。

  • 提高分辨率与对比度

    提高分辨率与对比度

    随着普通数码相机的感应器像素越来越高,用户也期待镜头具有更好的光学性能。为了不负众望,佳能对RF镜头的光学性能设定了非常高的标准。L级镜头可带来比以往更高的分辨率和对比度,即使在较高放大倍率下观看图像,也能为用户呈现出色画质。为了使图像在放大后仍能维持出色画质,佳能在设计和评估L级镜头的性能时,尤其关注高频范围波长的分辨率和对比度。

  • 追求更优解决方案

    追求更优解决方案

    佳能的镜头设计始终基于先进的光学理论和自有光学设计工具(软件)。随着计算机的镜头设计能力不断提升,在设计和优化新款镜头时(计算镜头配置以最小化像差)所需的时间可大幅减少。在不断追求更优光学解决方案的道路上,佳能从未妥协。佳能开发了多种自有光学评估工具,比如最新的图像模拟和公差分析模拟等,进一步优化光学性能。

  • 对可靠性的不懈追求

    对可靠性的不懈追求

    佳能RF镜头在上市前必须通过严苛的可靠性标准检测,包括质量、精度、刚度、抗冲击性、抗振性、耐环境性和耐用性等。要确保每支镜头都具备出色可靠性,这一测试流程必不可少。因此,佳能镜头在设计之初就以在实际使用条件下提供可靠性能为目标。通过原型阶段一系列严谨的测试后,镜头最终进入批量生产阶段。佳能建立了自有的商业镜头产品质控标准,即佳能标准(CS)。L级镜头在生产控制、光学设计和机械设计等方面都必须符合更严格的标准。镜片间距、倾斜度、离心率和其他参数的公差都精确到1/100毫米以内。此外还会根据需要对每支镜头进行精密调整,从而确保产品的高性能。L级镜头出色的可靠性离不开佳能数十年来在性能优化和可靠性方面的不懈努力。

  • 制造技术的发展

    制造技术的发展

    先进的镜片加工技术、光学元件和镀膜技术,在L级镜头的开发过程中,尤其是提高光学性能方面,发挥了至关重要的作用。佳能开发并积极采用了高精度研磨非球面镜片和萤石镜片,亚波长结构镀膜(SWC)和空气球形镀膜(ASC)等生产技术,以及超低色散(UD)镜片和超级UD镜片等独特产品,以满足客户对L级镜头高画质的期待。

  • 由专业技术工人进行高精密加工和装配

    由专业技术工人进行高精密加工和装配

    要生产出具备出色画质和高性能的L级镜头,对加工和装配的精度要求非常高。要达到这些标准,不仅需要先进的生产设施和测量仪器,还需要非常专业的技术工人。佳能工匠们技艺精湛娴熟,把握着L级镜头生产中最精细的流程,例如将玻璃镜片加工至亚微米级别、精密组装镜头元件、研磨标准(原型)镜片用于制造研磨非球面镜片。佳能会根据镜头类型,将工艺流程有效分配给自动化设备或技术工人,从而优化生产力和质量。 佳能甚至已经开始研究设计生产设备的方法,希望能更好地反应专业技术工人的知识和先进工程技术。由此,佳能改革了整个镜头生产流程。

开发者访谈

RF100mm F2.8 L MACRO IS USM产品企划访谈

产品企划师:家冢贤吾

产品企划师:家冢贤吾

镜头开发企划背景

我们开发具有高级功能和高性能的镜头,有利于客户挑战新型摄影表现形式,这是我们始终秉持的理念。同时,我们希望实现1.4倍的最大拍摄放大倍率,SA控制环可自由调节虚化效果,强大的防抖功能,从而拓展图像和视频拍摄的可能性。我们相信,这些关键功能可激发摄影师的创造力。

将最大放大倍率定为1.4倍的原因

使用微距镜头的主要目的是靠近被摄体拍摄微距图像,所以我们认为,这支镜头的最大亮点是最大拍摄放大倍率超过了常规的1.0倍。1.4倍的放大倍率能拍出独特的图像和视频,这与此前1.0倍的微距镜头有所不同。此外,1.4倍的放大倍率也能带来更出色的画质。我们认为这对客户具有重要价值。

微距拍摄效果显著的场景

微距摄影的拍摄对象众多,比如花卉、小动物或小物件。拍摄图像涉及放大、缩小、对焦、曝光、构图、释放快门等,在这一系列流程中,有时会希望使用稍大的放大倍率。这时,1.4倍的放大倍率就大有用处了。并且,这款镜头具备强大的防抖功能,可减少相机抖动,能专心拍摄。

1.4倍放大倍率的拍摄优势

现代数码相机具备很高的像素,即使将原始图像剪裁为相当于放大1.4倍的大小,画质也不俗。不过,若使用微距镜头,透过取景器可以更加专注于拍摄对象和构图效果。我认为,那种情绪高涨的感觉能让人享受摄影的乐趣,并收获满意的图像。

1.4倍微距摄影的效果

这款微距镜头的最大拍摄放大倍率为1.4倍,高于常规微距镜头。拍摄放大倍率越高,景深越浅。在高放大倍率和浅景深的加持下,可以尽情探索新的拍摄对象和视觉表现。不过,不是通过眼睛寻找拍摄对象,而是透过镜头发现拍摄对象。面对被摄体时,用户可能会对隐藏在细节之下的美感到惊叹不已。我觉得,从未想过要拍摄的被摄体,有时却是很好的拍摄对象。

突破传统微距镜头的表现范围

我想,这款镜头能呈现一个突破性的抽象世界。当然,它也能清晰地展现真实世界。这款镜头的表现范围很广。使用SA控制环还能享受更多乐趣。

新配备的SA控制环

这项功能可改变球面像差(SA),调整虚化效果。顺时针或逆时针旋转镜筒上的SA控制环,可以根据拍摄表现的不同,自由选择柔和的虚化效果或硬朗的虚化效果。SA控制环的旋转量可以调整合焦部分的柔和度,不管是花卉等微距拍摄,还是人物拍摄,这都是一项实用的功能。

寄语用户

使用这支微距镜头,可以利用1.4倍放大倍率,强大的防抖功能,所以用户可以畅快淋漓地拍摄创意图像。此外,还可通过SA控制环调节虚化效果,开启更多创意。希望这款微距镜头能帮助用户发现独特的图像和视频效果。

RF100mm F2.8 L MACRO IS USM光学设计访谈

光学设计师:森丈大

光学设计师:森丈大

为什么需要微距镜头

比如,想把小花拍得更大,更有视觉冲击力时,会走近去拍摄,对吧?但是,大部分普通镜头在贴近被摄体想拍得更大时,往往不能合焦。不仅如此,即便相机合焦了,距离被摄体越近,画质也越差。微距镜头就是为了解决这些问题而设计的,即使近距离对焦被摄体,也能干脆利落地合焦。

微距镜头设计

微距镜头的设计与变焦镜头的设计相似。微距镜头为了增加拍摄放大倍率,将大幅移动各镜片,这与变焦镜头相仿。但是,自动对焦与手动变焦截然不同。自动对焦要做到既快又准,需要特殊设计。所以,为了让对焦既快又准,在设计能自动对焦的微距镜头时,我们采用了许多技术。不仅要考虑活动镜片的重量和移动轨迹,还要兼顾支撑和控制镜片的方式。

1.4倍放大倍率的优势

我们的目标是1.4倍放大倍率,使用这支镜头能够安心拍摄微距摄影,展现更广泛的表现力。如果使用1.0倍放大倍率的镜头,只要从合焦位置稍稍靠前一点,就很容易失焦。但是,使用放大倍率达1.4倍的微距镜头时,对焦距离会有所增加,即使被摄体突然靠近,也能合焦并从容拍摄。而且,以等倍或更高放大倍率拍摄时,将呈现一个奇幻世界,与目视所及的寻常世界完全不同。我希望,通过这支镜头,能让用户感受微观世界之美。

自动对焦和1.4倍放大倍率兼顾

发挥大口径和短后对焦距离的优势,对焦镜片的可动范围达到上限。常规微距镜头的光学系统,在时间的洗礼中不断改善。光学系统的对焦类型、图像稳定器类型和光圈位置,在某种程度上却是固定不变的。但是,为实现1.4倍放大倍率,需要打破常规,不破不立。这支镜头与传统微距镜头不同,它将图像稳定器、光圈放在前端,与对焦分开,将对焦镜片移到卡口最边缘,通过这些设计实现了1.4倍放大倍率。

设计上的良苦用心

首先,重要的是要打破常规,不能带入惯性思维。我认为,在多种领域,“破旧”和“立新”都绝非易事。实际上,这支微距镜头,没有参考现有镜头的设计,而是从1枚凸面镜开始设计,一路摸索出来的。如果比较这支镜头的横截面与其他微距镜头的横截面,就会明白两者的构成完全不同。

拍摄画质出色的图像

通常,特殊镜片用于减少像差,但这支镜头没有使用这类特殊镜片。这支镜头在最前端使用了凹面镜,便于接收由近处被摄体反射的光线,通过缓缓弯折光线,从而抑制球面像差的发生。此外,又添加了1枚凸面镜,校正色差。

等倍放大和1.4倍放大的区别

拍摄放大倍率增大后,合焦范围将变得很小。由于虚化范围增大,所以能拍摄出更加梦幻的效果。但是,轻微的相机抖动就会造成相机失焦,所以对焦目标区域会变得困难。而且,被摄体拍得越大,相机抖动产生的影响也越大。因此,使用1.4倍放大倍率拍摄时,精确的自动对焦和强大的防抖功能必不可少。

强大的防抖功能

我们的设计是,防抖镜片移动时,像差变化较小。不仅如此,防抖镜片与机身图像稳定器联动,能实现更强的影像稳定功能。

自动对焦设计

要实现1.4倍放大倍率,多枚镜片需要大范围移动。这支镜头搭载佳能自有的“Nano USM”超声波马达,实现了高速、高精度的自动对焦。

这支镜头适合的摄影类型

不只是微距摄影,还有风景、人像等多种摄影领域,都能凭借优秀的画质大显身手,这是我们的设计初衷。

短片拍摄

这支微距镜头搭载了Nano USM,自动对焦安静高速,所以用户可以惬意地拍摄短片。此外,拍摄短片时,用户可能会介意对焦呼吸现象,也就是对焦时视角发生变化。这支镜头采用了新型对焦方式,所以可减轻对焦呼吸效应。

SA控制的开发

因为Nano USM能自由改变对焦轨迹,这触发了控制球面像差(称为“SA”)的灵感。通过准确控制影响画质的像差,能够更加自由地进行视觉表现,例如柔和或硬朗的虚化效果。

如何玩转这支镜头

我在拍摄小鱂鱼和小虾。其实,最近孩子养了鳉鱼,于是我在家里搭建了一个水族缸。搭建水族缸让大人也乐在其中,鱼的数量逐渐增加到了4条,能看到小鱼小虾在水族缸里游来游去。使用这支镜头,可以手持拍摄游动的小鱼,很惬意。我感觉,这支镜头很棒,抖动少,对焦快,放大1.4倍也很赞。我希望这支镜头能让大家享受微距摄影的乐趣。

RF70-200mm F2.8 L IS USM/RF70-200mm F4 L IS USM开发者访谈

(左)电气设计师:本间大贵
(右)机械设计师:佐佐木邦彦

(左)电气设计师:本间大贵
(右)机械设计师:佐佐木邦彦

尺寸精简的原委

佳能的镜头研发,从选择适当的光学设计开始。镜头的光学系统可分为两种类型:“固定长度”和“伸缩可变”。伸缩可变,通过改变镜头的总长实现对焦。这种设计有利于缩小尺寸,因为可以充分利用微单相机自有的短后对焦距离特性。然而,与EF时代的常规镜头相比,这种设计确实牺牲了部分灵活性和易用性。
尽管佳能内部对此也有争议,但佳能推测,用户或许愿意牺牲一些易用性,以换取更高质量和更广的潜在摄影表现形式。希望现有佳能客户会受此启发,采用新的EOS R系统。

F4和F2.8

实际上,我们曾想过在F4镜头上采用固定长度设计。这将与F2.8的设计有所不同,同时还兼容增倍镜。但是,我们很快意识到,这样的F4镜头对于大多数用户来说都过于笨重了。由于F4镜头的基本结构本身就比F2.8镜头小,所以我们决定充分利用这一优点,在F4镜头上采用与F2.8镜头相同的光学结构,尽量缩小尺寸。

不支持增倍镜

RF系列采用新设计,让我们感到左右为难。我们希望,用户会憧憬EOS R系统未来的可能性。我们也意识到,现有用户也许想要能兼容增倍镜的镜头。可事情不遂人愿,对支持增倍镜的新镜头设计进行模拟计算后,我们发现在广角端,镜头的总长无法缩短。结果是,镜头尺寸不如预期短小,尤其是与EF时代的镜头相比。
虽然EF70-200mm f/2.8L IS III USM受到高度赞誉,但仍有用户对笨重的体积颇有微词。为了最大限度地发挥可换镜头系统的优势,我们破釜沉舟,在设计RF70-200mm F2.8 L IS USM时,放弃了兼容增倍镜的设计。正是这一决定让镜头总长大幅缩短,大概比EF镜头短25%。
我第一次看到F2.8镜头的原型时,对它小巧的尺寸惊叹不已。同时,F4镜头也毫不逊色。尺寸减小后,与标准F4变焦镜头相差无几。
还有,镜头采用伸缩式设计,这种结构需要镜片元件往复运动,因此变焦时改变镜头总长所需的扭矩更大。这意味着,转动变焦环更费力气。所以,我们煞费苦心,只为转动变焦环时不费力。总之,在设计这些镜头的过程中,就小型化和增倍镜兼容性而言,就必须攻克多个难关。

减轻重量

当然,镜头要轻,这一点很重要,但我认为镜头和相机机身之间的重量平衡也很重要。在着手缩减RF镜头尺寸的同时,佳能也在不断改进EOS R相机,向着更小、更轻的方向前行。
我们思考,如果镜头安装到EOS R5和R6这样的相机上,如何实现平衡,整体尺寸又如何。我想,这会让长时间负重奔波的摄影师轻松一些。我真心期待新EOS系统用户提出宝贵建议。

光学设计

F2.8和F4镜头采用了共性技术。我想对这些镜头的光学设计稍微展开谈几点。过去,说到70-200mm的变焦镜头,那就是固定长度设计。但是,对于RF镜头系列,佳能采用了一种新型光学系统,这一系统使用了称为“多组变焦”的方式,各镜片组各司其职,不再局限于过去的可变放大、聚焦和像差校正等功能。
这支镜头是首款采用驱动马达控制浮动镜片组的镜头。浮动镜片组是一组主要用于消除像差的镜片元件。使用马达控制浮动镜片组,不管哪个变焦位置、不管对焦什么距离,都能拍出画质出色、像差较小的图像,这是提高镜头基本性能的技术。
另外,采用这种电子浮动对焦系统,还有利于缩小最近对焦距离:从F/2.8 EF镜头的1.2m缩短到F/2.8 RF镜头的0.7m。设计在广角端靠近被摄体拍摄的镜头并非难事,但用户也想在远摄端靠近被摄体拍摄!
为此,F/4镜头的最近对焦距离缩减至60cm。使用小型化后的70-200mm镜头,最近能够对焦伸手可及的位置,这让我感觉兴致勃勃。

自动对焦性能

我们在研发电子浮动对焦系统时,遇到了一些困难。比如,如果马达控制导致位置调整出现延迟,这将造成严重的像差,进而使对焦不准。尽管我们做了多种尝试,改进控制系统,避免延迟发生,但是,开始时的情况并不尽如人意。
实际上,我们在实测第一个原型时,问题层出不穷。最初相机难以对焦,经历大量修改、多次讨论到深夜后,最终我们提高了性能,拍出了令自己满意的图像。
控制系统的设计困难异常,系统要调整对焦镜片组以便对焦被摄体,还要同时控制浮动镜片组。
性能优秀的自动对焦系统,需要快速调整相机镜头,瞬间对焦被摄体。但是,在新的镜头设计中,必须以微米级精度,同时控制两个独立镜片组的位置。佳能的新型控制系统不仅能精确计算最终停止位置,也能在调整对焦时的每个特定瞬间,以微米级精度调整和补偿两个镜片组的位置,避免偏离正确的焦点位置。
如果定位不准确,对焦过程中会出现像差,因此将不能对焦移动的被摄体。经过大量的努力和反复的试错测试,我们最终推出了可以准确对焦高速移动被摄体的镜头。
这样的成果正是摄影师翘首以盼的,相机能“抓住”移动被摄体,拍出的图像画质如同静物图像一般。

可靠性

之前提到,我们采用的变焦镜头随焦距调整,总长将改变。当然,前端可伸缩的变焦镜头会引来麻烦,因为对焦时镜头前端可能会误撞其他物体。
所以,为了固定镜筒,我们决定在用于移动F4前端元件的镜筒上使用6个凸轮从动件(即固定可动镜筒的部件),在F2.8镜头上使用12个凸轮从动件。用于固定镜筒的凸轮从动件数量,都是正常数量的两倍。在佳能内部反复测试后,我们自豪地推出了“纯正的佳能70-200mm镜头”。

出色画质

这些镜头的画质得到了大幅改善。我们不仅抑制了图像中心的球面像差,还通过抑制色差和图像弯曲,改善了周边画质。这在一定程度上要归功于之前提到的电子浮动对焦系统。此外,采用伸缩式光学设计,广角端没有不合理的长焦距,这一设计更加适当。
RF70-200mm F2.8 L IS USM镜头在逆光下也可以拍出通透的图像。例如,拍摄驶近的火车时,即使车头前照灯的眩光打过来,相机也能拍出整列火车的清晰图像。这是新玻璃镀膜和高级模拟技术发展的结果。
多年来,其他光学元件也也在不断改进。比如,RF70-200mm F2.8 L IS USM是第一款采用非球面UD镜片的佳能相机镜头。虽然在技术层面难以解释原因,但是镜头总长却因此缩短了几毫米。除此之外,镜片元件数量也减少了,重量得以大幅减轻。

防抖功能(IS)

RF系列镜头的另一大优点是支持协同防抖功能,与相机内置的图像稳定器相辅相成。F4镜头不如F2.8镜头明亮,所以用户在某些情况下可能需要降低快门速度。举个例子,手持相机拍摄夜景图像,如果降低快门速度,图像质量会受到影响。
但是,协同防抖可校正相机抖动模糊,效果与快门速度提高至7.5级时一样,让手持摄影拍摄更加安心。这些技术加之其他技术的进步,让RF系列镜头开启了新时代,与EF截然不同的时代。我希望,佳能镜头用户在选择RF系列镜头时,能从新的视角考虑。

寄语用户

佳能70-200mm镜头已经声名远扬。推出重要的新产品时,往往有这样的趋势:只做小修小改,以求无过。然而,佳能始终秉持大胆突破的精神研发产品,迎难而上,这也是佳能的优点之一。
打破产品的常规向来是有利有弊的。但是,我们坚信这支镜头能为用户带来更广阔的摄影表现形式。我们计划将用户的反馈体现到未来的产品开发中,所以恳请广大用户提出宝贵的意见和建议。
RF镜头开发人员心中存在一个共识,即RF镜头的研发不能简单照搬EF镜头的模式。我们一直尝试将新的灵感或者与众不同的想法融入开发的每支镜头中。这在现在的70-200mm镜头上得到印证。我想,用户会惊叹镜头的紧凑尺寸和操作性,而这一点只有RF设计才能实现。