一篇文章認識【佳能】：鏡頭技術全解析
三十年的天才決定：全電子卡口的華章
佳能自從上個世紀三十年代就開始開發相機和鏡頭了，在現在主流的相機廠裏也算是歷史比較悠久的一個，離我們太遠的 FL 和 FD 卡口此處先按下不表，未來有機會再給大家講，讓我們快進到上個世紀八十年代。
在歷史的長河中，真正奠定了佳能相機界霸主地位的是上世紀 80 年代初開發的 EF 卡口，也就是現在 EOS 1Dx Mark III，EOS 5D Mark IV，EOS 6D Mark II 在使用的卡口。它最早由早川慎吾、柏葉聖一、村上順一、鹽見泰彥、須田康夫、海原升二六人組成的團隊打造。
也正是這個決定，深刻地影響了未來三十年的相機市場。
這個設計可以說是非常有遠見的，EF 卡口是 Electro Focus 的縮寫，即全電對焦，EF 卡口是世界上第一個全電子卡口。
最早被稱為 Entirely Organic System（全有機系統），後改名 Electro Optical System（電子光學系統），這個名稱也一直沿用至今——市售所有的佳能相機全稱裏最前面的 EOS 三個字母就是致敬這個跨時代的企劃。
當年，相機系統正在逐步引入自動對焦，為了實現自動對焦，就需要讓鏡頭從機身獲得對焦信息，並把對焦鏡組驅動到對應的位置。
由此延伸出兩大陣營，一個是為了保持兼容性，繼續使用原有卡口，並在該基礎上添加電子觸點實現半電子化，而馬達內置於機身內，用卡口上連接鏡頭和機身的螺桿來驅動鏡頭內部的鏡組，也就是所謂的螺絲刀對焦，此外，光圈撥桿也需要通過覆雜的機械聯動實現。另一個，就是像佳能一樣，直接把整個系統砍掉重練，從頭打造一個完全為電子系統優化的卡口系統。
EF 卡口就選擇了後者，所有鏡頭都內置馬達，還用了鏡頭內置的電磁驅動光圈（EMD，Electromagnetic Diaphrazgm），通過電子脈沖來驅動光圈，完全消滅了機身和鏡頭的機械聯動。
在短期內看，前者能夠兼容所有的鏡頭群，但是長期來看，隨著電子化程度不斷增加，鏡頭與機身通信的內容也會不斷豐富，協議越來越覆雜，反而不利於整個系統的發展——隨著技術發展，鏡頭與機身不僅要傳遞電子對焦信息，還需要傳遞光圈信息，EXIF，以及防抖信息等等，全電子化卡口的擴展性非常好，可以隨著需要不斷擴展，並且能完全保證兼容性。
因為兼容性好，通訊協議穩定，EF 卡口給了副廠鏡頭很多的商機。
在三十多年的悠久歷史積澱下，EF 卡口的協議破解也非常成熟，EF 卡口鏡頭的副廠產品也是最為豐富的。
也正是因為這個全電子卡口的思路，在現在單反向微單轉向的時候，佳能是鏡頭群這塊陣痛最小的廠商，只需要一個結構非常簡單的轉接環，導線一連然後讓機身內去處理就可以了，說白了就是一個塑料筒子兩塊金屬片加幾條導線。
其它廠家如果想要兼容老鏡頭的話，鏡頭往往還要帶上一個馬達驅動對焦鏡組和光圈，整個體積要大一點，結構也要覆雜不少。你看看 EF-RF/EF-EF-M 轉接環的售價，再看看帶著覆雜機械結構的尼康 FTZ 和索尼 LA-EA 系列轉接環的售價，對吧……
由於協議破解成熟，理論上只要擁有目標機身的協議，就可以把 EF 鏡頭轉接到任何一台法蘭距短於 44mm 的機器上，並實現自動對焦等一系列功能，因此 EF 卡口的鏡頭也成為了最受歡迎的“無反副廠鏡頭之選”。
佳能 EF 鏡頭不僅可以轉接到自家的 EF-M，RF 系統上使用，甚至可以轉接到索尼 FE，尼康 Z，以松下和奧林巴斯為代表的 M43，松下、適馬和徠卡代表的 L 卡口等其它廠家的相機上使用。
54mm，向 f/1.0 光圈發起沖擊
EF 卡口另一個具有前瞻性的設計是高達 54mm 的卡口內徑，以及 44mm 的較短法蘭距，在當年的單反卡口裏這是非常高的規格。
理論上來說，可以通過適當的設計，做出 f/0.8 左右的鏡頭，受制於工程難度和設計覆雜度，最後 EF 首發鏡頭裏選擇的是 50mm f/1.0 的超規格自動對焦鏡頭。
即便如此，這一規格直到現在也是光圈最大的自動對焦標準鏡頭。
敵在自家研發部……內鬥內行.jpg
不過，EF 卡口的輝煌成就並沒有很好地繼承到自己的其它系統上。
在進入數碼時代後，由於半導體良率的原因，原本膠片時代最受歡迎的 135 尺寸底片（全畫幅）制造成本極其高昂，全畫幅相機搖身一變成為了只有極少數專業人士才能接受的高端機身。
為了迎合普及型用戶的需要，佳能轉而推出了 EF-S 接口，這個接口采用的是 1.6x 裁切系數的感光元件，理論上來說，它和 EF 卡口是完全相互兼容的……但是佳能硬生生給弄出了一波幺蛾子。
感光元件面積小了所需的反光鏡也更小，因此鏡箱裏有更多的空間，EF-S 鏡頭可以利用更短的後焦距所騰出來的空間，在鏡頭末尾放置尺寸更大的鏡片，有利於鏡頭的設計。
本來這是個好事，但這也意味著，鏡頭的後部會更加突出，深入機身，因此 EF-S 鏡頭不可以裝在 EF 機身上，如果裝上去，部分鏡頭的尾部會在反光板擡升的時候發生碰撞，進而損壞鏡頭或者機身。
啊這……本來 APS-C 鏡頭接到全畫幅機身上拍視頻是一種頗為通用的玩法，尤其是對於某些只有 1.7x 4K 拍攝能力的佳能單反來說，但這個先天缺陷直接給它判了死刑，很可惜，想要這麽玩只能去選擇佳能的無反機身了——然後無反機身又通過固件限制把這個玩法幹掉了（沒錯，說的就是一些人吹上天的 EOS Rp）。
EF 卡口本身也存在一些問題，剛剛說到 EF 卡口最高能支持 f/0.8 的鏡頭設計，這也讓佳能的鏡頭設計師們得以大展拳腳，50mm f/1.0，50mm f/1.2，85mm f/1.2 都是為人所津津樂道的高規格鏡頭，但是由於 EOS 單反內部的鏡箱缺陷，會出現奇特的鏡箱遮擋口徑蝕。
也就是所謂的切光斑現象，可惜了這幾枚大光圈鏡頭，只有在轉接的時候才能真正發揮出全部的焦外表現。
另外一個比較令人疑惑的就是 EF-M 和 RF 這兩個無反系統的開發了，在索尼大踏步邁入無反時代的同時，佳能也選擇了跟進，造了一個規格基本照著索尼 E/FE 卡口抄的 EF-M 卡口，然後隔壁索尼 E/FE 高規格鏡頭和全畫幅機身刷得風生水起，EF-M 這邊卻是非常低調，一顆 L 系列鏡頭都沒有。
卡口規格可以做全畫幅但是一直沒有做，也沒有任何的高規格鏡頭出現，感覺更多是一個試水作，在 RF 卡口出現後，EF-M 的定位才逐漸明晰，佳能一開始就把這個系統作為“愛好者的入門系統”，但不打算圍繞它打造自己的全畫幅系統。
EF-M 這個系統還是非常有趣的，原廠鏡頭都沒有高規格鏡頭，但是體積控制都非常好，外徑十分統一，收納非常方便，非常適合愛好者入門。
唯一的缺點就是，由於 RF 完全無法兼容 EF-M 鏡頭，如果想要從 EF-M 升級的話，就需要出掉所有鏡頭和機身，無法利用。
RF 卡口則是保留了 EF 卡口直徑、接口規格，並把法蘭距直接砍短，R 代表 Revolution，革命性的，佳能希望它能為未來三十年的高規格鏡頭開發助力。
RF 卡口兼容所有 EF 和 EF-S 鏡頭，但是很遺憾不支持 EF-M 鏡頭，目前關於 RF 卡口 APS-C 機器的開發也只是停留在傳言階段，所以目前 RF 系統只有全畫幅機器可以選。
RF 系統增加了新的觸點，換用了新的協議，因此副廠破解還需一段時日（像三洋那種直接模擬 EF 鏡頭破局的路子除外），鏡頭群也以專業用戶和發燒友使用的高端鏡頭居多，目前只能用轉接或者購買價格高昂的原廠鏡頭來配合使用。
在基本了解了佳能目前可換鏡相機市場的布局和鏡頭概況之後，我們接下來就可以深入了解佳能鏡頭上的技術。
鏡頭三要素：光學、機械、電子
讓我們以市面上你能買到的最簡單的鏡頭：滄野鏡頭為例。
哪怕是簡單如滄野的鏡頭，也至少需要包括兩個部分：
- 光學
- 機械
滄野的光學部分非常簡單，無非是小孔成像或者幾片薄透鏡，這倆都沒有超過初中物理的範疇，相信大家也在中學的時候玩過了。
但是這些鏡片你需要一個東西給它固定起來，你總不能用魔法讓它懸浮到空中對吧，這就是我們鏡頭的機械部分，在滄野這裏就是 3D 打印的塑料或者是精細打磨後的木頭鏡身。
但是如果我們想要更好的畫質，我們就需要引入更覆雜的光學設計了。
正如我的好友波波所說：在光學上，鏡頭設計其實就三個目標：
- 實現所需的放大倍率
- 矯正像差
- 對圖像進行風格化
其中，完成 1. 我們就可以認為鏡頭達到了最基礎的可用程度——它成像了。
而要完成 2. 則需要大量的研發和投入，大把設計師和工程師的頭發為此而掉，超級計算機的風扇也沒少為此呼嘯，要追求更高的畫質，就需要更好地完成 2. 的工作。
至於 3.，那是在完成 1. 和 2. 的基礎上有意或者無意地去引入的東西，也就是許多人說的鏡頭的味道，有些時候這是故意引入的，比如保留球差以實現更柔美的焦外，或者為了一個系列電影鏡頭成像風格的匹配而去特意控制玻璃的種類和/或膠合組的配置，等等。
2. 和 3. 有的時候需要進行取舍，有的時候還會因為光學部分以外的部分來制約，比如電影鏡頭需要控制體積和齒條位置，帶自動對焦的鏡頭還需要預留電路板和馬達的位置，要考慮鏡頭的定位進行成本控制，對焦組的重量要為馬達的推力妥協，等等……
鏡頭設計是妥協的藝術，如果在各個方面都不妥協——那它的價格一定也很不妥協。
因此，一般廠家都會有不同級別的產品線，而在最頂級的產品線裏，我們往往能看到該廠商技術力量的集中展示，對於佳能來說，這就是 L 系列鏡頭，L 代表 Luxury，豪華，外觀上會有一圈紅圈作為標識，這也就是所謂“紅圈鏡頭”的由來。而其它產品線可能采用了一個或多個下放的技術，但由於定位和成本的問題，就不會打上最頂級的標識。
下面我們就從光學，機械和電子三個方面來聊一聊佳能的技術。
光學：鏡片與鍍膜
在光學中，從幾何光學角度出發，像差（Aberration）分為兩大類，一個是單色像差，一個是色差。
單色像差包括：球差、彗差、像散、場曲、畸變五種，而色差則分為橫向色差和倍率色差兩種，這些都是需要矯正的對象。
其中，為了矯正色差，鏡頭設計師需要應用具有不同光學性質的材料。
色差的本質是拍攝時透過鏡頭的光線因波長（顏色）不同，折射率也各異，無法被完美聚焦到同一個位置上，這就形成了色散。常見的解決方案是使用折射率和色散率不同的鏡片進行補償，比如圖中展示的使用冕玻璃（Crown）和火石玻璃（Flint）組合，也就是所謂的消色差雙合透鏡，Achromatic Doublet，但是這一組合也存在局限，因此需要引入更為強力的材料。
這就是螢石。
螢石（Fluorite）是一種自然界存在的礦物，主要成分是氟化鈣（CaF2），它具有低折射和低色散的特性，阿貝數高達 95.3。但天然的螢石尺寸小，並且純度低，不同的雜質會讓它顯示出不同的顏色，這也使得螢石作為一種天然寶石有收藏和觀賞的價值，但卻不適合作為光學元器件。
因此要制造螢石鏡片，就需要掌握人工結晶大尺寸、高純度、高透明、高穩定的大尺寸螢石晶體，同時攻克其加工技術。佳能在這方面的探索可以追溯到上實際 60 年代末，憑借著領先業界的大尺寸螢石結晶技術，佳能率先在長焦鏡頭中應用螢石以提升畫質。
螢石雖好，可不能貪多，一方面大尺寸螢石鏡片造價非常高昂，另一方面螢石的硬度相對較軟，其應用場景比較有限。
有時需要使用具有低色散、低折射鏡片的玻璃而非螢石材料來代替，佳能對這方面的光學玻璃稱之為 UD 鏡片和超級 UD 鏡片。佳能稱，超級 UD 玻璃可以實現和螢石類似的效果，約等於兩倍 UD 玻璃的效果，UD 技術在 1978 年發明，而超級 UD 歷史短一點，1993 年被發明。
而在 2001 年，佳能引入了不借助特殊材料，轉而借助特殊鏡片結構來實現色散抑制的菲涅爾鏡片，佳能稱之為 DO 多層衍射光學結構。DO 鏡片是通過在鏡片表面制造微米級衍射光柵來實現的。
DO 鏡片的色散特性與一般光學玻璃相反，波長越長折射率更大，因此使用 DO 鏡片配合普通鏡片就可以有效矯正像差，還能實現超長焦鏡頭的小型化，但是 DO 鏡頭存在一些問題，比如影響焦外，且因為抗眩光性能較差，限制了它在鏡頭裏的應用。
而佳能目前在抗色散材料方面最新的探索是 2015 年的 BR 光學元件，相比於螢石、UD 玻璃等無機材料，這是首次引入了有機材料的元器件。
通過在鏡片間加入特定的有機材料，實現對藍光折射幅度大的光學元器件，從而實現對軸向色散的有效抑制。這一技術比較新，實現的技術細節也很少，此外有機材料的耐久性也還有待考驗，這個技術目前的應用還不是非常廣泛。
這些特殊材料可以用於控制色散，但材料本身卻對單色像差的矯正幫助不大，單色像差的矯正，更多還是要靠整個鏡頭的設計，以及配合非球面鏡片的應用才行。
非球面鏡片與普通的球面鏡片不同，其表面曲率是不斷改變的，對於更容易受到球差影響的廣角鏡頭來說，非球面技術的應用大幅提升了其畫質，改善了球差、彗差、畸變的控制，也拓展了鏡頭產品線的規格。
沒有非球面鏡片，就沒有今天豐富多彩的廣角和超廣角產品線，我們所津津樂道的高素質超廣角 15/16-35mm f/2.8，11-24mm f/4 等規格的鏡頭都是不可能造出來的。
非球面鏡片（Aspherical）的表面曲率是變化的，因此對加工和品控都提出了非常高的要求，為了測算表面的弧度，需要引入計算機輔助設計，並使用激光幹涉的方式測量表面精度。
非球面的制造方式有四種，其中研磨非球面加工精度是最高的一個，而為了普及非球面鏡片還有成本較低的玻璃模鑄（GMo）和樹脂模鑄（PMo）為代表的壓鑄非球面技術，需要利用到高精度的金屬模具進行壓鑄，而最普及，成本最低的非球面技術則是樹脂覆合非球面，是將玻璃或樹脂基材的球面鏡片進行表面處理，使其表面固化一層紫外線硬化樹脂材料來實現非球面化。
隨著鏡頭光學設計變得越來越覆雜，鏡片之間光線的反射就會造成炫光（Flare）和鬼影（Ghosting）等問題。盡管在一些場合，炫光可以成為畫面風格的一部分，但它在大多數情況下會降低畫面的反差和解析力，因此在設計上需要去盡可能規避。
規避炫光的設計有幾大類，比較常見的是遮光罩、鏡筒內消光表面處理，以及鍍膜。
早在 FD 鏡頭的年代，佳能就開發了超級光譜鍍膜（Super Spectra Coating，SSC），相較於傳統的 Single Coating SC，單層鍍膜蒸鍍，SSC 屬於 MultiCoating，MC，多層蒸鍍技術，通過多達十層以上的蒸鍍，對不同鏡片施加不同種類的鍍膜。這一鍍膜被應用在所有的 NFD 以及 EF 鏡頭中，是久經考驗的鍍膜技術。
在進入 EF 時代後，為了進一步抑制反射，佳能又在 SSC 基礎上開發了 ASC 和 SWC 鍍膜。
其中 ASC（Air-Sphere Coating）鍍膜使用具有低折射率的空氣和二氧化矽（SiO2）構成低折射率層，這一技術在 2014 年由 EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS II USM 大白兔鏡頭引入。
Air Sphere 指的是二氧化矽層中固化的 10nm 尺寸的“空氣球”，所以這一鍍膜技術也可以被譯為納米空氣球鍍膜。
ASC 鍍膜相比於傳統的多層鍍膜擁有更好的抗反射性能，尤其在垂直入射時這一優勢還會更加明顯，此外，強度也很高，因此可以用在一些環境更覆雜的表面。
SWC 鍍膜則是 Subwavelength Structure Coating 的縮寫，亞波長結構鍍膜。通過在鏡頭上排布大量的亞波長楔形結構（200-400nm），接近空氣的部分楔形構造的密度較低，越接近玻璃楔形構造所占比例越大，從而創造一個折射率逐步改變的環境，避免反射的發生，反射率僅有 0.05%。
相比於 ASC，SWC 鍍膜更適合應對大角度入射的場景，也能被應用在大曲率鏡片上。因此被廣泛應用於超廣角鏡頭的前幾片鏡片上。
如果說以上集中鍍膜技術都是為了提升畫質，DS Defocus Smoothing 平滑散焦鍍膜則是為了鏡頭的風格化而開發的鍍膜，其鏡片中心透光率高，邊緣透光率低，就像人為為焦外部分施加了一次高斯模糊一樣，可以實現平滑的焦外效果。
目前僅在 RF 85mm f/1.2 L DS 上能看到這個鍍膜。
最後要介紹的鍍膜，與消滅炫光或增加畫面風格都沒有關系，它是為了鏡頭耐用性和抗汙性而開發的技術，它就是氟鍍膜技術（Fluorite Coating）。最早在 EF 70-300mm f/4-5.6L IS USM 上引入，施加了氟鍍膜的鏡片，就像不粘鍋一樣滑溜溜的，有水漬汙漬也很好擦。
機械 & 電子：鏡身設計 & 豐富的馬達驅動技術
由於鏡頭需要在覆雜的環境下使用，比如極地、沙漠、雨中、甚至帶有腐蝕性鹽霧的海上，為了鏡頭的可靠性和耐久性，高端鏡頭普遍有一定的密封處理，以避免外來異物損害鏡頭。佳能 L 系列的鏡頭普遍在接縫和開關處添加了橡膠圈材料，防止水滴或者塵土進入。
有時還需要讓光學部門配合設計內對焦和內變焦的結構，減少鏡筒動作部分，進一步提升操作性和牢固性，而如此大費周章要保護的不僅是鏡頭的鏡片，還有鏡頭內部精密的電子結構。
目前佳能采用的馬達主要有兩大類，超聲波馬達（Ultrasonic Motor，USM），和步進馬達（Stepping Motor，STM），部分特別老的鏡頭上還有直流馬達（DC）。
由於佳能開發和應用超聲波馬達的歷史比較早，所以也就占了名字最直觀的 USM。早在 1987 年佳能就開發出了 USM，並應用在自家的 EF 300mm f/2.8 L 鏡頭上。
通過彈性定子和壓電陶瓷連接，就可以實現高靈敏度、高平滑度、高驅動力、高靜音性能的對焦馬達，USM 一共有三種形態，其中最廣為人知的就是環形 USM，又稱環超，環超被應用在所有的佳能超遠攝鏡頭上（白炮），此外，對焦組沈重的 RF 50mm f/1.2 L 和 RF 85mm f/1.2 L 也使用了原本應用於 EF 400mm f/2.8 III L 鏡頭上的環超馬達來保證高速對焦。
環超驅動力強，但是體積大，會影響到鏡頭設計，小型化後的微型 USM 適用範圍更廣，通過環形超聲波馬達驅動齒輪，進而驅動對焦組，而新設計的 Nano USM 則體積更小，將壓電陶瓷和彈性定子設計為導軌形式，直接進行往覆直線運動，更加安靜，利於視頻拍攝。
佳能步進馬達則是結構更簡單，減速齒輪少，噪音低的一種馬達，非常適合用在小型化鏡頭上，有 STM + 導螺桿和 STM + 齒輪兩種減速驅動結構。
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編輯於 2021-02-02 12:16
LycheeLi荔枝荔 | 攝影等 3 個話題下的優秀答主關註他 | 369 人讚同了該文章
大家好我是字節君，這個咕了三個月的專欄，它更新咧！
這幾個月發生的事情很多，我成為了科技鹽究員，拍了幾個項目，也更了一些回答，
不過文章這塊一直沒有打磨到我想要的水平所以就一直咕咕咕了。
不過經過三個月的長期打磨（咕咕咕），也是時候繼續把這個坑填下去了，
在接下來的幾期文章中，我們要對各家的鏡頭技術來一個大起底。
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Ok，回歸正題，今天，讓我們從佳能開始。
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