[閒聊] 鏡頭鍍膜

[BearSheep (活著)]

在photo-buy版看到一篇討論鏡頭鍍膜的文章。
突然讓我想起曾經看過某篇考據大光圈標準鏡的文章中，
有提到過大光圈鏡頭設計和鍍膜的關係。
搜尋後，才發現原來是已經關掉的台灣萊卡迷俱樂部的站長寫的文章。
現今只找的到中國方的連結了。原文被拷貝的連結如下：
http://forum.xitek.com/thread-231765-1-1-1.html
文章中提到

    SONNAR設計成功之處有兩點，首先，Bertele將他早期的ERNOSTAR-SONNAR結
    構加入了第三片凸鏡，來貼合前後原本分離的兩片，以低折射玻璃材質代替
    空氣間隔（airspace）。此舉不僅將鏡面的反射光量有效降低，同時也加強
    了球面像差與彗星像差的補正，因此能將SONNAR推到光圈f/2的成就。接著，
    Bertele把鏡頭最後一群加以改良，SONNAR設計原本是單一片凸鏡，後改為兩
    片貼合（doublet）的而成為光圈f/2的SONNAR；最後改為三片貼合（
    triplet）的凸鏡群，巧妙地修正更多的球面像差，SONNAR的起始光圈也進一
    步推到f/1.5（如上圖所示）。

    在連動測距相機盛行的時代，SONNAR跟雙高斯兩種設計，分據大口徑高速光
    圈設計的天平兩端，但當時還是由SONNAR小勝雙高斯。根據日本鏡頭評論家
    米倉昭仁的說法，理由是當年鍍膜技術尚未實用化，空氣接觸面較少的
    SONNAR通常容易得到比雙高斯還高的畫質。事實上，早在1896年，ZEISS的設
    計大師Paul Rudolph就已完成了經典的PLANAR（也是雙高斯設計），但一直
    被ZEISS擱置不用，原因就在於PLANAR的空氣接觸面太多，耀光明顯，甚至多
    到會降低約40%的入光量！這問題嚴重影響到光學畫質，難怪當年的設計人員
    一直不敢大膽採用這個「複雜」的設計。Rudolph自己也深知PLANAR的限制，
    所以後來又設計了比較簡單（只有4片）的TESSAR來配合當年的生產技術。

    但英雄也有恨生不逢時的時候。正當SONNAR標準鏡成為優秀的高速標準鏡代
    名詞時，35mm單眼（SLR）相機的興起，卻在無意間斷送了SONNAR標準鏡的未
    來。原因居然是SONNAR 50mm的鏡後焦距（Back Focal Distance或Flange
    Back Distance）太短！

    單眼相機的反光鏡所需的空間，使得SONNAR的標準鏡頭無法用在單眼相機上
    。相同的SONNAR設計在SLR機身上可能要以85mm作為起始焦距才行。此後，
    SONNAR標準鏡漸漸地淡出標準鏡頭的市場。相反的，雙高斯設計的光明時代
    卻正要開始呢！雙高斯設計不僅適用於SLR，後來多層鍍膜的普及，以及新種
    玻璃材質（「超」高折射率玻璃）的開發，加上現代高速電腦輔助運算，一
    切的一切，似乎都是為了雙高斯設計鋪上歡迎的紅地毯。全球設計人員一致
    傾力研發更高性能、更高速光圈的雙高斯結構標準鏡鏡頭。

也就是沒有鍍膜，超高折射率玻璃只會導致，更高的鏡面反射，
而無法使用雙高斯結構來達成大光圈的效果。

所以鍍膜能力和鏡頭設計是息息相關的。

至於鍍膜的作用是什麼，以及如何作用的。
國內專門自己改鏡的改鏡達人----巨門之眼前輩，
剛好有篇文章在談基礎的鏡頭光學結構。文章連結如下：
http://www.bigeye.url.tw/big5/d_opticstru.htm
其文中提到，

    鏡片的鍍膜是光學上很重要的部份，玻璃的表面會反射光線，如果入射角比
    較斜的話，可能損失 20% 以上的光線！這只是一個面的損失，實際上相機的
    鏡頭即使是早期的望遠鏡頭也至少有兩片，一共是四個面。這樣一來損失的
    光線其實很可觀。如果一隻號稱 f2 的鏡頭，但是沒有鍍膜的話，六、七個
    面反射下來，可能光圈只剩 2.8。因此許多老鏡片當時都儘量用膠合鏡片，
    以減少反射的界面。

    除了會減少到達曝光介質的光線外，光線在鏡片之間重複反射的結果會使影
    像不清，反差降低；有時對著強光拍攝會出現一串光斑，甚至一片死白。雖
    然有時光斑安排得當的話，也很漂亮，但是大部分都會對拍攝造成干擾，因
    此減少玻璃表面反射就便成了重要的技術。

    由以上的式子中可以發現，兩種材質的折射率如果越接近則反射率越小，反
    之越大，因此如果在玻璃表面附著一層折射率介於空氣與玻璃之間的物質，
    則可以減少反射並增加穿透率。

    請見左圖，如果在空氣折射率 (nair) 以及玻璃折射率 (ng) 不變的話，加
    上一層折射率為 nc 的鍍膜物質，此時如果分別計算空氣→鍍膜、鍍膜→玻
    璃的透光率，再相乘後會發現有鍍膜的透光率會增加。因此，鍍膜的概念就
    應用在鏡頭的抗反射上面，一開始所使用的是氟化鎂、氟化鈣之類的成份，
    當時只有單層的鍍膜。在科技不斷的進展下，漸漸也會用氟化鉛、二氧化鈦
    、二氧化矽等等的成份來鍍膜，而且會鍍上十幾二十層的鍍膜。這類的多層
    鍍膜會使透光率大增，使鏡片間的反射光大大降低，目前連塑膠鏡片也能鍍
    上多層膜了。各大相機廠也多研發自己的鍍膜方式，例如 Pentax 的超級多
    層鍍膜(SMC)、Carl Zeiss 的 T* 鍍膜等等，成份應該也更複雜，當然多半
    都是機密。早期是用化學的方式使鍍膜沈積在玻璃表面，後來則是用真空鍋
    ，將鍍膜物質高溫揮發後凝結在玻璃表面。

    鍍膜後的反射光其實有兩道，請見上圖；一道是由鍍膜表面反射，一道是由
    鍍膜與玻璃的界面反射，雖然反射光的量大大降低，但是仍然存在，這兩道
    反射光會產生光程差，會發生干涉現象，於是某些波段會相消，某些則會發
    出五彩的色澤。因為人眼對波長 555nm 的黃綠色光最敏感，所以一般老式的
    單層鍍膜都將鍍膜厚度控制在反射藍紫色光而透過黃綠色光。現代的多層鍍
    膜則多為了色彩的重現，必須平衡各色的反射率，因此反射出的鍍膜顏色多
    半會有互補色光的現象，也就是某一面有藍色反光則就會有另一面有黃色反
    光，有綠色則有紅色互補；因此多層鍍膜的鏡頭反光色澤五顏六色。但是我
    們並不能用反光的顏色來判斷是否多層鍍膜，一般而言，單層鍍膜是藍紫色
    反光，但是藍紫色反光並不一定是單層鍍膜。

    如果要判斷鍍膜效果是否良好，並不是由顏色來判斷，而應該由反光強弱來
    看，反光越強當然效果越差。不過有時用眼睛來判斷會不準，最直接的就是
    對著太陽拍一張，但眩光或鬼影的強弱就知道了。

根據文內的基本的光學反射率公式，其實可以得到，一個結果。
當鍍膜越多層的時候，每層鍍膜之間的折射率可以拉近，折射率拉近後，
就能減少整體光線在玻璃和空氣交界，被反射的量。
同時，一層鍍膜會讓反射光多一道，反射光彼此的光程差，會形成干涉和消光作用。
只有單層鍍膜，僅能控制某一波長區段的光的折射率，
故需要多層鍍膜去平衡各色的反射率。

根據這兩份文獻，可以歸納出，所謂的白鏡或是單層鍍膜的老鏡頭較現代鏡頭好，
實屬無稽之談。深究其根本，鏡頭光學設計與其設計哲學，
才是影響鏡頭成像表現最重要的原因。

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      他們的話在黃昏裡忽前忽後地漂流著, 沒有一點意義,

      而有意義的東西卻是不能用言語表達的, 而且你也不能談的

      摘自雷馬克的生死存亡的年代

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 93.132.232.10
※ 編輯: BearSheep       來自: 93.132.232.10        (10/06 07:48)
推 LedZeppelin:我覺得另一個差異可能是玻璃的品質?
推 dimn:專業好文~我也有想到~燒製玻璃的技術.
推 tudaer:說以前老鏡較好不是說鍍膜越少越好，而是玻璃的品質啊
→ tudaer:且多層鍍膜剛開始的年代，也只有EBC SMC做那麼多層，德廠
→ tudaer:難道做不到嗎？ 不可能。
→ tudaer:沒人說單層鍍膜的鏡頭會比多層的一定好，但請把最重要的玻
→ tudaer:璃品質考慮進去...
推 goldmark:1Q的有氣泡算是好玻璃？
推 han3rd:這篇讚~ 學習了!
推 tudaer:1Q玻璃質不錯但氣泡是因為製作問題造成
→ tudaer:有人愛這味但有人不愛（像小弟）
推 p520888:看到前輩們互相交流，晚輩剛好也可以趁機多學習點新知！！
→ BearSheep:我其實一直沒看到你說的玻璃品質的科學根據在哪？
→ BearSheep:以及指稱的是什麼實際的玻璃光學特性？所以我不懂啊！
→ BearSheep:不過多層鍍膜的部分，可是有基礎光學公式可推算的
→ BearSheep:硼硅玻璃的白片，垂直入射的穿透率可是達96％
→ tudaer:科學根據? 小弟向來不科學，都是拍出來看。
→ tudaer:您可以持續地講究科學數值和理論數據，但小弟是實務應用派
→ tudaer:無法和您比較。
→ tudaer:補充一下1Q只是玻璃品檢的階級，沒有一種玻璃叫1Q
→ tudaer:只是大家對於CZ那時期的玻璃都叫1Q所以小弟在那邊偷懶了
http://tw.myblog.yahoo.com/daguerrelab-maxchen/article?mid=1058
國內最實務派的，絕對以拍出來的底片來說明鏡頭好壞。

不過，話說回來，不用科學方法，怎麼能說明漫射和反射光在台灣很多又很雜，
會對相片成像造成影響呢？
不用科學方法，又怎樣證明玻璃品質是1970年代優於1990年代呢？
如果無法證明，那對鏡頭拍出來的照片好壞的評論，是否就只是個人喜好呢？

推 joyen:推推推....好文...
※ 編輯: BearSheep       來自: 93.132.235.85        (10/06 19:56)
→ tudaer:您先把Sonnar和Biotar結構搞清楚再來...
推 alayaosu:通篇唯一的量化研究竟然是濃度計的成果XDDD
→ BearSheep:巨門前輩的給的數學公式是圖片，有興趣請自己點進去。
→ BearSheep:玻璃折射率約莫1.2-1.8等等都有，空氣折射率約為1，請
→ BearSheep:自行計算差異囉。
推 stpc6:幾乎所有變焦鏡都是源自Sonnar結構的進化，經常涵蓋標準焦段
→ stpc6:以量來說，Sonnar仍然遠大於只能應用在定焦的Planar，從DXO
→ stpc6:的解像力數據來看，也不見Planar性能更好的科學證據
sonnar是否優於planar這我不清楚，我跟dxo也不熟。
不過vario-sonnar其實不能說是sonnar的變形，而是triplet的變形。
http://taunusreiter.de/Cameras/Biotar.html
嚴格來講，他就是三群鏡組的其中一支而已。
而雙高斯早期最少一定是四群鏡組，也就是八個反射面。

至於變焦鏡的出現也可以說是歸功於鍍膜技術進步下的產物，不然光是七群十群的鏡組
就會有14到20個不等的反射面
等於透射率會變成0.96︿14＝0.56 0.96︿20＝0.44
而且這還是透射率最佳狀態下。
如果是單層鍍膜透射率為0.98︿14＝0.75 0.98︿20＝0.66
※ 編輯: BearSheep       來自: 93.132.252.155       (10/08 03:48)