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实物拆解揭开单反镜头的小秘密

摄影 447℃ 0 2年前 (2015-04-16)

“套头”是镜头中最普通,但又最特殊的一种。说它普通,是因为它作为套机镜头出现,价格低廉,性能一般;说它特殊,是因为它采用典型的现代变焦镜头结构设计,颇具代表性,同时也是保有量最大、使用频率最高的镜头。因此套头是一个非常好的样本,通过它我们可以了解当前变焦镜头的结构和工作原理。我们拆解的这支佳能EF-S 18-55mm IS Ⅱ镜头来自国内销售的600D行货套机,通常被俗称为“二代套头”。属于没有超声波马达的国际市场版[日本本土销售的版本有超声波马达]。本文以这支镜头为例,通过实物拆解为你揭开镜头工作时的那些小秘密。


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头

镜头里有多少镜片?


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 前组镜片


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 后组镜片

提起镜头的内部结构,很多人可能首先会想到一大堆镜片从镜筒里跳出来,也许还有很多精巧复杂的机械零件。其实不然,镜头中的镜片虽然多,但已经被提前组装成前、后两组,前组主要负责对焦,后组负责变焦。这是现代工业模块化设计思路的一种体现,便于镜头装配和维修。


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 光学结构示意图

EF-S 18-55mm IS Ⅱ究竟有多少镜片呢?前组中包含4片,后组中包含7片,一共是11片。这些镜片根据功能在逻辑上又被划分为9组,就是我们经常在镜头光学结构介绍中看到“几组几片”的描述。从镜头的光学结构图来看,以防抖镜片为界,左侧为前组镜片,防抖镜片和右侧的其他镜片共同组成后组镜片。前组镜片由于尺寸较大,虽然数量少,但重量要明显超过后组。EF-S 18-55mm IS Ⅱ的后组镜片中包含一枚非球面镜片[图中以绿色标示的镜片],用于矫正镜头的畸变。另外,EF-S 18-55mm IS Ⅱ的光圈模块也安装在后组镜片中。

镜头是如何实现变焦和对焦的?


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 变焦时镜组移动示意图

当我们转动镜头的变焦环时,镜筒会带动镜组移动,从而改变镜头的焦距。EF-S 18-55mm IS Ⅱ在18mm~30mm段变焦时,前后组镜片相向移动,即前组镜片向后移动,后组镜片向前移动;在30mm~55mm段变焦时,前组镜片和后组镜片一同向前移动。也就是说,在从18mm~55mm变焦的过程中,前组镜片先向后移动,再向前移动,而后组镜片一直向前移动。


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 后组镜片中有一个较大的弹簧


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 拆出的弹簧和变焦镜片

在变焦过程中,后组镜片内的镜片间距也会逐渐变小,为了消除镜片移动时的晃动,这里加入了一个弹簧。另外,这个弹簧也提供了一部分“变焦手感”。


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 对焦模块侧面,左侧为驱动电机


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 齿轮和传动杆


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 传动杆和前组镜片齿轮

对焦功能由前组镜片负责,相机控制位于镜尾的对焦电机工作,对焦电机通过传动系统驱动前组镜片移动,因此对焦电机的驱动力和前组镜片的重量会直接影响镜头的对焦速度。在这个传动系统中包括多个齿轮组合,它们的齿轮比从很大程度上决定了对焦的精度,由于齿轮组为塑料制造,长期使用之后齿轮磨损会影响对焦精度,甚至导致无法对焦。

相机如何获取镜头的焦距、光圈和对焦信息?


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 变焦电刷和检测排线


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 光圈电刷和检测排线


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 光圈电刷


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 对焦镜筒电刷和检测排线

在照片的EXIF信息中记录了许多拍摄时的参数,比如焦距、光圈值和对焦信息。相机是如何获取这些实时信息的呢?其实很简单,在变焦镜筒和对焦镜筒的内部,设有三组电刷和检测排线,分别对应焦距、对焦和光圈。检测排线是一条柔性印刷电路板,表面的铜箔类似轨道排列,形成断续的条状触点。以变焦为例,变焦时镜筒旋转会带动电刷会扫过检测排线,轨道上有铜箔覆盖的位置通电,没有铜箔覆盖的位置断路,通或断的状态被转化为010101这样的二进制数字。这些数字与镜头焦距对应,通过简单的转换,相机就可以知道镜头的焦距。这种机械接触式的设计优点是运转平滑、低噪声,缺点是长期磨损会导致接触不良,佳能相机的ERR99错误有时就是由于对焦检测排线的铜箔磨损所导致。

佳能的防抖机构是什么样的?


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 防抖组件结构示意图


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 防抖模块组件,右侧为防抖镜片,通过弹簧悬挂


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 防抖镜片


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 驱动防抖镜片的线圈


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 防抖组件中的陶瓷球


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 防抖组件中的线圈特写

IS佳能“Image Stabilizer”光学防抖技术的缩写,其基本原理是通过陀螺仪感应相机的抖动方向和速度,由相机内的处理器控制进行实时计算偏移和补偿量,然后驱动防抖镜片进行补偿,获得清晰的图像。佳能IS防抖功能需要相机处理器参与,因此当佳能IS防抖镜头转接到其他品牌机身后,防抖功能无法启动。

防抖镜片与两片小型磁板安装在一起,通过3个弹簧悬挂在防抖组件支架上。支架上与磁板对应的位置设有两个线圈,通电时产生磁场来使镜片移动。磁板和线圈之间还有3个小陶瓷球,保证磁板与线圈不会吸附在一起。由于只有两个线圈,因此EF-S 18-55mm IS Ⅱ镜头只能在一个水平面的四个方向上提供防抖补偿,无法实现俯仰等更复杂、细腻的补偿动作。显然,防抖镜片的重量会影响防抖补偿的效果,所以防抖镜片通常为较轻的一枚,在EF-S 18-55mm IS Ⅱ中这枚镜片同时还负责矫正前组镜片导致的图像变形。

另外,拍摄时反光板和快门的动作导致的轻微震动可能会使防抖机构启动,因此在使用三脚架或相机有稳固支撑物时,需要关闭镜头上的防抖开关,否则反而会导致图像模糊。

光圈是怎样控制的?


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 光圈驱动电机


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 光圈模块


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 光圈模块正面


Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 – 连接光圈电刷的小钳子

光圈模块位于后组镜片中,由一个独立的电机驱动。实际上光圈叶片非常轻,开合也很顺畅,并不需要太大的驱动力,电机的大部分驱动力都用来推动光圈信息电刷。机身通过电刷获取光圈信息的方式与变焦时类似,但控制光圈的方式则不同。根据用户在机身上设置的光圈值,机身处理器控制光圈驱动电机推动电刷,并通过电刷返回的信息判断光圈是否开启到位,而光圈叶片只是被动地与电刷联动而已。

镜头为什么会越用越松?


Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 – 分离变焦镜筒与镜身

低端镜头的变焦镜筒和镜身都为塑料制造,镜筒上的螺纹和滑轨加工精度有限,因此变焦时阻尼不均匀,略紧或略松都是常见现象。使用一段时间之后,变焦筒磨损与镜身接触面积变小,滑动摩擦力下降。低端大变焦镜头和长焦镜头,因为前组镜片直径较大、分量重,因此镜头向下时镜筒很容易滑出。另外一个有趣的反例是镜头的“磨合”,部分低端变焦镜头刚开始使用时变焦手感不好,不易转动且有明显的段落感,使用一段时间后变焦过程变得顺滑均匀,也是由于镜筒磨损形成的。

变焦镜头还能更小么?

套头在用料和加工精度上虽然无法与高端镜头相比,但控制和信息传递方式、机械结构等都与高端镜头大同小异,是现代变焦镜头中随处可见的典型设计。对单反来说,套头已经足够小巧和轻便,设计也非常成熟。但随着微单的兴起,对镜头的小型化设计提出了更高要求。受机身体积的限制,微单的电池容量无法与单反相比,液晶屏实时取景要消耗大量电力,所以微单要求镜头必须小型化和低功耗。因此现有的经典设计放在微单上可能就行不通了,例如EF-S 18-55mm IS Ⅱ通过移动整个前组镜片来对焦,这是整个镜组中最大、最重的部分,驱动它们需要功率较大的电机。这种设计于微单而言就显得过于庞大和沉重,无论体积还是功耗都难以接受。这也是许多单反镜头转接到微单机身后会导致对焦速度下降的主要原因。由此可见,现代变焦镜头中的经典设计在小型化过程中的确会遇到许多问题。

难道现代变焦镜头已经没有进一步小型化的可能了么?我们不这样认为。还是以对焦为例,如果通过优化设计,移动更少、更轻的镜片来对焦,就能满足小型化和低功耗的需求,同时还有助于对焦速度的提升。除此之外,微单镜头小型化还有哪些手段呢?今后我们将通过对小型化镜头的实物拆解来揭开其中的奥秘。

来源:http://www.soomal.com/doc/10100003854.htm

来自为知笔记(Wiz)

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