探秘!现代变焦镜头的小型化设计
李卓 于 2013.04.06 02:31:57 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.64/241

APS-C画幅的数码单反套头曾是体积最小的标准变焦镜头,我们也拆解过一枚佳能EF-S 18-55mm IS Ⅱ镜头(即俗称的“佳能二代套头”,简称18-55Ⅱ)。这枚镜头的结构设计非常有代表性,例如移动前镜组对焦、后镜组变焦、电刷式的信息拾取系统等等,都是现代变焦镜头中常见的设计。这些设计对于APS-C甚至全画幅的数码单反来说是非常成熟和紧凑的,但对于追求小型化的微单而言,仍显得过于庞大。

为了了解现代变焦镜头小型化设计的思路和方案,我们随后又拆解了一枚奥林巴斯M.ZUIKO DIGITAL 14-42mm F3.5-5.6 Ⅱ R[简称14-42Ⅱ R]。这支镜头是奥林巴斯为M43系统微单设计的第二代套头,体积比APS-C画幅的套头小了很多,重量也轻了将近一半,但光学素质依旧保持了令人满意的水平,对焦安静快速。那么14-42Ⅱ R的设计者是如何做到在大幅度缩小体积和重量的前提下,保证镜头性能和对焦速度的呢?我们将通过这两枚镜头的对比来探寻其中的秘密。

沉胴式设计控制镜头长度

  • M43系统的镜头普遍比同焦段的APS-C镜头体积小,有人认为是因为M43的感光元件小,使卡口直径和法兰距缩小,因此镜头就可以做得更小,也就是“底小所以镜头小”。这其实是一种误解。14-42Ⅱ R能够做到这么小的主要的原因是采用了特殊的沉胴式设计。18-55Ⅱ在整个变焦过程中,后镜组整体渐次向前移动,使镜筒向外伸出很大一截。而14-42Ⅱ R则反其道而行之,变焦时后镜组内的一部分镜片向后移动,充分利用了镜头内部空间,因此镜头的长度得到明显缩减。沉胴式设计最典型的例子就是卡片机的变焦镜头 ,变焦时从外观看镜头长度变化很小。虽然沉胴式设计并非14-42Ⅱ R首创,但它却是可交换镜头中第一款采用沉胴式设计的标准变焦镜头。

    光栅信息拾取设计缩减镜头直径

    在18-55Ⅱ中光圈、焦距和对焦环信息拾取通过电刷完成,因此镜筒之间要为电刷留出空间,这使得镜头外径较大。14-42Ⅱ R则采用了非常巧妙的光栅设计来缩减对焦和光圈电刷占用的空间。以对焦环信息拾取为例,14-42Ⅱ R的对焦环内设有一圈细密的齿牙,当对焦环旋转时,齿牙依次从两个光栅感应器中划过,使光信号产生“通”与“断”两种状态,并转化为对应的电信号。每个通、断之间的移动间隔相等,因此通过判断信号产生的次数就能获得对焦信息。

  • 利用光栅来侦测转动信号和距离并不是什么高难度的技术,最常见的应用就是鼠标的滚轮,但将这种设计运用到镜头中不得不说是一种巧妙的思路。光栅结构不仅大大压缩了镜筒与镜组之间的间隙,也使得14-42Ⅱ R的对焦环与镜头对焦驱动模组之间没有任何机械连接。当用户在手动对焦模式下转动对焦环时,不会直接带动对焦驱动模组,而是由机身根据光栅信号驱动对焦电机工作。这也是4/3和M43系统镜头转接到其它机身上连手动对焦都无法实现的原因。没有传动机构一方面节省空间,另一方面也可以降低故障率,避免了用户在自动对焦状态下误转对焦环可能引发的对焦电机或传动机构故障。

  • 除了对焦和光圈信息拾取改为光栅设计,14-42Ⅱ R的变焦信息拾取也有很大改变,环形的检测排线被一个非常小的滑动变阻器代替。不仅体积比电刷结构大大缩小,焦距信息通过电阻值变化来判断,使其拾取精度也明显提高,因此使用14-42Ⅱ R拍摄的照片中经常可以看到类似30.5mm这样精确到十分位的焦距信息。

  • 对焦驱动模组小型化

    18-55Ⅱ依靠移动整个前镜组来完成对焦,相对而言前镜组是镜头中最重的组件,因此对电机的驱动力要求较高。我们在分析18-55Ⅱ的文章结尾也提出过镜头小型化设计一种可能性——移动尽可能轻和小的镜片完成对焦,降低对电机驱动力的要求,不仅可以使用体积更小的电机,也可以提升对焦速度和减少能耗。

  • 14-42Ⅱ R的设计正是如此,通过移动后镜组中最小的一枚镜片完成对焦,不仅降低了对驱动电机的功率要求,还使步进马达有了用武之地。步进马达具有精度高、驱动频率高的特点。在14-42Ⅱ R中,对焦镜片通过两个拨杆与步进马达上的螺杆连接。不要小看这支螺杆,这里的设计非常巧妙。螺杆上的拨杆与对焦镜片相连后无法旋转,因此当螺杆转动时,拨杆就只能沿螺杆轴向的直线运动,从而使对焦镜片在镜筒内做出相应的动作。小小一支螺杆不仅起到传动功能,其螺纹还影响对焦的精度和速度,通过对螺杆旋转角度和圈数的计算,机身可以精确控制对焦镜片的位移。

  • 螺杆与拨杆结合的移动精度比18-55Ⅱ中的齿轮传动更高、噪音更小,因此14-42Ⅱ R在对焦时显得更加平顺和安静。步进马达可以支持非常高的驱动频率,已披露的M43系统资料显示,部分镜头可在一秒内被驱动120次,因此对焦时用户几乎感受不到犹豫或反复。另外,14-42Ⅱ R的对焦驱动模组整体体积和重量都比18-55Ⅱ更小,也有助于缩小镜头体积和减轻重量。

  • 总结

    在M43出现之前,有多少人曾认为套头或个别定焦镜头就是现代镜头小型化的终点?通过18-55Ⅱ和14-42Ⅱ R的拆解对比,我们看到了现代变焦镜头小型化设计绝非“底小所以镜头小”,而是对机械结构、电子结构的全面改进。紧凑的沉胴式结构、巧妙的光栅设计、小而强大的步进马达都基于现有技术的应用,体现了设计者开放性的思路。轻量化的对焦镜片,小巧精确的步进马达驱动结构均构成了相辅相成的关系,没有轻量化的镜片,就难以使用步进马达;有了步进马达镜头就获得了更高的对焦精度和驱动频率。目前镜头小型化的核心思路是将可移动组件最小化,至于采用什么方式并不绝对。相对变革缓慢的光学技术,机械和电子技术的发展一直高速向前,我们相信今后还会出现更好的方案。

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