镜头多层镀膜技术的原理--光学.doc

镜头多层镀膜技术的原理、发展和使用概况一、防反射膜层（增透膜）的作用在自然界极易见到称为膜层的现象，例如水面上扩展的油膜层，肥皂泡产生的有美丽色彩和光泽的泡沫。这些与透镜表面的带色泽膜层有类之处，但透镜表面是用人工方法镀制的膜层。装在照相机上的摄影用镜头，一般要进行防反射膜处理。除照相机镜头外，望远镜、双筒显微镜、眼镜，还有航空光学仪器和汽车的计数盘表面玻璃等也有同样要求。今日，薄膜加工技术已获得广泛使用。这种防反射膜，也称增透膜，其作用是尽量抑制透镜的玻璃表反射，减小光量损失，使入射光线尽量多透过镜头。（图1）镀膜也取决于处理方法，有特定的分光特性的半透镜和干涉滤光镜等，在取景器光学系统和光源的照明系统中得到使用。当然，初期的照相机和现代的摄影镜头都镀有薄膜。单个透镜组成的镜头，两个反射面，共有10%光量损失，从照相机初期的水准，考虑镀制防反射膜似乎是不必要的。二、重新评价多层镀膜镜片镀膜工艺的目的，首先是透镜的防反射作用，现在仍作为主要目的。随着加工技术的进步和使用范围不断扩大，产生了高度技术化的多层膜技术，分光透过的控制相当准确，操作方便，使用得到普及。对多层镀膜的性能提出高要求，会使成本提高。厂商为了提高镜头像质的课题注入大量经费，其效果是明显的。可以这么说，没有多层镀膜技术飞跃发展，高倍、大孔径变焦镜头不可能有今天的兴旺局面。防反射的膜层能产生增透效果。此外，还有更直接的作用，这就是在逆光摄影时，幅于膜层影响，使易产生的幻像和光晕降低到最小程度。（图2、图3）最近多组透镜构成的变焦镜头已成世界镜头发展的主流，采用多层镀膜，到达胶片面的光线，其衍生的杂散光部分大大减小，使镜头鉴别率不至于降低，也不损坏色采还原。重新评价经改进的膜层，研制在各种镜头中引入最适宜的镀膜最新技术，是各厂家一直研究的重要课题。单层膜、多层膜，部分透镜面镀多层膜，超级多层膜.形形色色的组合和新型膜系使用，对镜头发展起了重要作用。重新认识多层镀膜，已引起广大摄影师的广泛兴趣和关注。（图4、图5）三、镀膜略史镜头烧热发现膜层1892年；英国泰勒（H.D.Toylor,著名的Cook,Triplet镜头设计师） 发现，把烧过的望远镜物镜的玻璃表面经风化出现紫色，和新的透镜比较，发现能通过更多的光线。受弱酸侵蚀的玻璃表面存在折射率低的薄膜，能降低玻璃表面的反身率。这个透镜燃烧的新发现，使人们知道了膜层作用，并产生镀膜技术。以后，利用人工的弱酸化学作用，从实验室产技术。1935年：德国卡尔，蔡司发明了防反射膜层处理技术。蔡司的A.Smakula在真空中加热蒸发低折射率氟化物薄膜，诞生了防反射薄膜处理方法。1936年：美国加利福尼亚工业大学的J.D.Strong把玻璃置于真空中，加热蒸发有增透效果的氟化钙（CaF2），成功制成人工防反射薄膜。由于上述原困，2个透镜组合胶合透镜可以分离，增加透镜设计的自由度。1938年：美国依斯曼.柯达公司在HECTA镜头上完成镀膜工艺。1939-1943年：卡尔.蔡司公司成功实现了2层和3层增膜系。1945年：德国徕兹公司。在徕卡的标准镜头中首先使用镀膜技术，从SUMMITAR50mmF2镜头开始（照片1，该镜头1939年推出），镜片实施镀膜。1945年：在德国法兰克.海德克公司发明罗莱Automat(4型)相机的75mmF3.5镜头中，卡尔.蔡司.耶拿Tessar、蔡司奥普托.Tessar及施耐特Xenar3款镜头成为罗莱最早镀膜镜头。1946年：千代田光学精工（现在美能达公司）在半幅sping照相机的Minolta Seml A镜头上首先使用品红膜层。美能达SEMI是日本最早有镀膜镜头的照相机（JCll的历史认定照相机），以后各公司相继积极引入镀膜技术。在商品目录记录中“有镀膜”，给人印象是“光亮清晰镜头”。1964-1967年：在摄影器材以外的用途领域，例如测量仪器盘和电视摄像机镜头等方面，多层镀膜其特征是几乎能全部消除玻璃表面的反射，这是活用后有实效的光学技术之一。1964年：当年10月在东京举行奥林匹克运动上，室内比赛转播需要明亮画面，富士写真光机公司受NHK委托开发了电视用镜头的多层镀膜技术，实现了镜片的电子束镀膜EBC（Electron Beam Coating）。在真空镀膜时，使用高溶点的抗加热式的蒸发物质，用电子枪溶融方法,完成由日本技术制成最多达11层多层膜系。1971年12月发表的8mm照相机，富士卡single-8E800d的EBC富士侬8-64mmF1.8镜头和1972年9月推出摄影用的35mm单反相机，富士卡ST801的可换镜头，是采用了EBC技术的富士侬镜头。1970年：西德科隆博览会上（photokina）,各照相机公司开发的多层镀膜技术相继登场，采用此新技术的镜头有：旭光学工业的宾得用可换镜头、日本光学工业的尼康F用可换镜头、佳能的新产品F1用可换镜头等。1971年：可以说是多层镀膜的元年（全面推出第一年），各个相机工厂对以往的可换镜头及新开发的可换镜头，各自采用多层镀膜。多层镀膜的优越性一众所周知，加工成本高也引起关注，但照相机镜头使用多层镀膜已大势所趋，研究考虑的是更优良的多层镀膜技术实用化。1972年：西德卡尔.蔡司公司在科隆博览会推出一系列引入多层镀膜的蔡司镜头。在出售的镜头上使用【T*】标记，这就是著名的有红色【T*】镜头。 不管是照相机制造厂，还是镜头专业厂，都力争采用到成都吗技术，其结果增加了镜头设计的自由度，出现了由复杂的透镜构成各种广角镜头、变焦镜头等系列产品。1944年起：各公司均引入多层镀膜，重新评价如何提高像质。另外也积极引入非球面透镜，超过10组的很多片透镜组成的高倍变焦镜头变得易于实现。各公司的镜头，都是根据需要，区分使用单层或多层镀膜，作为增透膜的处理，与初期的镜头是不同的，使彩色摄影像质更佳，依靠高次无的镀膜，设法见到新的潮流，推进镜头发展，更上一层楼。四、多层镀膜的使用概况*德国的卡尔.蔡司镜头蔡司的T*多层镀膜镜头有优良的色彩再现。1935年，卡尔.蔡司公司发明了防反射膜处理的镀膜技术。蔡司的A.smakula发明了使用氟化物的单层镀膜，特别在摄影用，电影用，X射用大孔径镜头中，进行了镀膜处理。出现了在市场以“T镜头”为名的产品（照片2）。多层镀膜技术方面与日本相比出现迟些，1972年9月的西德科隆博览会（photokina）上，在照相机用蔡司镜头中，推出有多层镀膜的T*Distagon,T*planar(照片3)、T*Sonnar、T*Tele Tessar、T*Heliar Sonnar等合计16种镜头。为了区分T*镀膜镜头，使用了T*标记（红色T星号）。T*镜头通常都是镀6层膜，必要时也使用8层膜系。*徕卡镜头导入有镀膜的空气透镜，推出了著名的SUMMICRON镜头。从战后的1945年推出的summtar50mmF2镜头开始，包括Elmarit，Hektor著名镜头都使用了镀膜技术。SUMMAR（1933年）实现了4组透镜结构，孔径达到F2采用新设计的膜层，使其达到更佳的实用效果，把SUMMIITAR的前第2组的胶合透镜各自分离，引入空气透镜，完成了6组7片构成的第一代Summicro50mmF2镜头。高斯型第2组的第2透镜和第3组分离，用于校正慧差。以后采用这种常规的做法完成F1.4、F1.7大孔径镜头。也就是说，镜头结构的变化和性能的提高离不开镀膜技术的应用和发展。日本美能达镜头多层膜历史中的美能达2层膜(消色差膜).千代田光学精工(现为美能达)半幅Spring照相机的美能达Semina镜头,于1946年8月推出.这是由大阪工业试验所协助的日本最早的有镀膜镜头.镜头规格为75mmF3.5,除了自己公司生产的Rokkor外,还有其它公司的proma和Euiko镜头共3种。1956年美能达照相机公司成功实现了氟化镁（MgF2)和酸化锑sb2o3组成的双层防反射膜处理技术实用化，以“消色差膜”为目的，使用在美能达35mm相机可换镜头Rokkor35mmF3.5镜头上。最小反射率可设定2个波长位置，能够截至有害的紫外线。镜头的反射光是以绿色特征，多层镀膜进入实用化阶段。目前，美能达公司的系列镜头上使用的多层镀膜系为5-7层，对减少杂散光和幻影等有明显效果，同时也提高了成像的反差。日本宾得镜头超级复合膜系的全面使用，确立了宾得的多层膜时代。1969年，旭光学工业开发了对镜头有革命性意义的多层镀膜技术，与美国的NASA有关的OCLI公司的技术合作成功完成了世界上摄影镜头史上最早的7层防反射膜，用于宇宙飞船的窗玻璃等。高要求光学系统必须使用高性能膜系。以往的镀膜透镜从1个面反射1.7%的界限，仰止到表面反射仅0.2%极限，可见光的透过率（单面）达到99.8%，克服了透镜表面反射，使成像鲜明、清晰。1970年在德国科隆博览会上发表的超级多层镀膜Super Multi Coating(SMC)技术用于宾得SP相机的可换镜头，1971年实现商品化，包括有标准镜头50mmF1.4及55mmF1.8，变焦镜头85210mmf4.5等，从鱼眼17mm到望远1000mm22种镜头。当年6月到8月全部更换成为超级多层镀膜镜头。SMC镜头反射率极低，仅0.2%，有非常优良描写性能，从强光（高光）到阴影均有清晰的反差表现。逆光时会出现光晕和幻像，在恶劣摄影条件下，会使鲜明优良的影像变坏，使用SMC技术后，令人惊讶的发现，能得到高反差的影像。这种膜层，可见光透过率得到很好平衡。7层膜系使全部可见光的波长平均透过率最大，另外对摄影有害的紫外线光的被截至，使彩色平衡处于更佳稳定状态，色彩鲜艳，微妙的中间色彩变得清晰，并得到忠实再现。1994年、加以SMC冠名，开发了仰制特定的刚反射的独创防光晕膜层，在产品目录中使用“宾得镜头的世界”。使用宾得FA镜头上，成像效果达到以前没有的高水平。仅仅是SMC还不满足，因此，宾得镜头在镜头系列的设计、镜片抛光、镜头材料的检测层层把关。同时，1件件透镜进行镀膜、从透镜设计阶段到制品完成都进行彻底的检查，利用与多层镀膜并列的防反光晕膜层效果，减小反射提高镜头的质量。（完成无乱反射的镜头）于是FA镜头的色泽表现更为优良，得到极为鲜艳的色泽再现。1997年、推出复合的多层膜和防光晕膜，开发新设计的6组7片透镜构成SMC宾得FA43mmF1.7Limited镜头（照片4）。虽然是基本规格镜头，但成像质量达到高品质定焦标准镜头极限水平。FA镜头采用了多层镀膜和防光晕膜层，每个宾得镜头均冠以SMC标记，并引以为豪。日本佳能镜头(S.S.C)在推出佳能F1用高性能FD镜头时，使用了多层膜系：super spectra coating(超级光谱膜）。佳能公司从1948年开始在135mmF4镜头上使用镀膜镜片，1957年起，替换是新的单层膜“Spectra Conating”，由此开始使用在佳能35mm照相机的可换镜头上。佳能独特的硬膜（hard coating)与镜片材料组合，各自有效使用紫色、品红和琥珀色膜系，忠实调整了整个色彩的平衡。佳能的S.C镜头至今仍采用这些证明是行之有效的技术。1967年、开发多层膜技术“Super Spectra Coating”（S.S.C)，主要用于电视摄影机10变焦镜头上，单面反射率减小到0.2%程度，截至（滤去）紫外线效果明显增大。S.S.C在1970年科隆博览会上发表，1971年3月用于摄影镜头，在3个品种：鱼眼镜头7.5mm5.6，标准FD55mmF1.2和新产品FD55mmF1.2AL上使用。1973年2月，全面使用S.S.C膜系，有15mmF2.8 S.S.C、FD20mmF2.8 S.S.C及TS35mmF2.8 S.S.C3个新品种，佳能F-1用FD镜头15品种。以前的镜头刻印S.C。新开发的作为膜层蒸发用物质是性质最理想的材料，进行多层膜镀制后光的透过率能高达99.9%以上，随之可获得忠实的色彩再现，幻像和光晕（眩光）消除效果出类拔萃。日本尼康镜头尼康新的多层膜系（Super Integrated Coating),有丰富的阶调和色彩平衡在1970年科隆博览会上，日本光学工业（现为尼康公司）发表了尼康F用多层镀膜可换镜头。第二年，及1971年3月，使用在尼柯尔自动35mmF1.4C上也采用多层镀膜，依次使用，在以往的镜头系列中也出现使用多层镀膜的镜头，镜头以C广义便于识别。对于新推出镜头没有必要区分就不在用C标记。最近，尼康又开发了新的多层镀膜（照片5），称为“尼康super integrated Coating”读者也可可以从产品目录中查到。在宽广波长区域内保持高透过率，幻影现象减累，实现更为出色成像性能。由11组构成的镜片件数更多变焦镜头，有高反差和丰富的阶调表现，反射现象减少，可以得到色彩的平衡、色再现性优良的结果。设计上感到棘手的是如何改善倾斜的入射光的反射特性，使摄影者感到厌恶习的幻像和光晕大幅减少。以及从背后射来的强烈明亮光源或相类似恶劣条件下，反差的下降能抑制到最小限度，真实重现阶调分布。尼康公司为此目标作了努力。另外，紫外区域的透过率也希望大幅增加，这个方面是