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光学镀膜的发展史以及应用

作者:  转载自:  发布日期:2008-4-7

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似之处,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的要求,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面反射,减小光量损失,使入射光线尽量多透过镜头。 

镀膜也取决于处理主法,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,由于膜层影响,使易产生的幻像和光晕降低到最小程度。 

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,也不损坏色彩还原,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,已引起了广大摄影师的广泛兴趣和关注。 

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现存在折射率低的薄膜,能降低玻璃表面的反射率。 

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,利用工人的弱酸化学作用,从实验室产生表面的弱酸凝胶层,到了1930年左右,技术有了明显进展。 

1931年:德国卡尔·蔡司公司发表优良的大孔径镜头Sonnar F2.0,镜头的反射面很少,由独特的3组6片透镜构成,有待开发镀膜技术。 

1935年:德国卡尔·蔡司公司发明了防反射膜层处理技术,蔡避开的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处: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),成功制成了人工防反射薄膜。 

由于 上述原因,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(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75mm F3.5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Spring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(JCII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影像机镜头等方面,我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会上,室内比赛转播需要更明亮画面,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层的多层膜系,`1971年12月发表的8mm照相机,富士卡single8E8000的EBC富士侬8-64mm F1.8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),各个照相机款式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。多层镀膜的优越性已众所周知,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标记“T*”镜头。 

不管是照相机制造厂,还是镜头专业厂,都力争采用多层镀膜技术。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。 

1994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,作为透镜的处理,与初期的镜头是不同,使彩色摄影像质更佳,依靠高次元的镀膜,设法见一到新的流,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*多层镜头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,特别的单层镀膜,特别在摄影用,电影用,X身线用大孔径镜头中,进行了镀膜处理。出现了在市场以“T镜头”为名的产品(图2) 

多层镀膜技术方面与日本相比出现迟些,1972年9月的西德科隆览会(photoina)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层镀膜。 

※徕卡的镜头 

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SUMMITAR50mmF2镜头开始,包括ELMARIT,HEDTOR著名镜头都使用了镀膜技术。 

SUMMAR(1933年),SUMMITAR(1939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SUMMITAR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片的构成的第一代SUMMICRO50mmF2镜头。 

高斯型第2透镜和第3组分离,用于校正彗差。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发展。 

※日本美能达镜头 

多层镀膜历史中的美能达2层膜(消色差膜) 

千代膜历史中的美能精工(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Rukkort35mmF3.5镜头上,最小反射率可设定2个波长位置,能够截止有害的紫外线。镜头的反射光是以绿色特征,多层镀膜进入实用阶段。 

目前,美通达公司а系列镜头上使用的多层镀膜系为5-7层,对减少杂散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,确立了宾得的多层镀膜时代 

1969年,旭光学工业开发了对镜头的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,用于宇宙飞船窗玻璃等。高要求。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%界限,,抑止到表面,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85-210mmF4.5等,从鱼眼17mm到望远1000mm22种镜头,当年6月到8月全部更换成不超级多层镀膜镜头。 

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光的被截止,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,并得忠实再同。 

1994年、加以SMC冠名,开发了抑制特定的光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,宾得镜头在镜头系统的设计、镜片抛光、镜头材料的检层层把关。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光晕膜层效果,减小乱反射提高镜头质量。(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,并引入自豪。 

※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(超级光谙膜) 

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 Coating",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、开发多层镀膜技术“Super Coaring”(S、S、C),主要用于电视摄影机10X变焦镜头上,单面反射率减小到0.2%程度,截止(滤去)紫外线效果明晃增大。 

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7.5mmF5.6,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、S、C3个新产品,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(Superintegrated Coating0,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),发表尼康F用多层镀膜可换镜头。第二年,即1971年3月,使用在尼柯尔自动35mmF1.4镜头上,4月开始引入28mmF2镜头,1972年7月在标准镜头50mmF1.4C上也采用多层镀膜,依次使用,在此往的镜头系列中也出现使用多层镀膜的镜头,镜头以“C”冠名便于识别。对于新推出镜头没有必要区分就不再用“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,幻影现象减轻,实现更不出色成像性能。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的反射特性,使摄影感到厌恶的幻像和光晕大幅减少。以及从背后射不的强烈明亮光源相类似恶劣条件下,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发努力。 

另外,紫外区域的透过率也希望大幅增加,这个方面是考虑到最新开发的近红外-紫外区域胶片性能已有改善。 

最近的新膜系,在1996年10月推出的AIAF Zoom尼康ED 80-200mmF2.8D新(11组16片)和AiAF Zoom24-120mmF3.5-5.6D(11组15片)镜头上首先使用。 

五、新型的多层镀膜技术与感光胶片性能的关系。 

最近的彩色胶片,其倾向是追求色彩鲜艳。另外,黑白胶片也提出高光和阴影部分描写性能优良的要求。摄影镜头是有效利用还是浪费新型胶片的性能,其膜层也起到一定作用。 

镜片反射引起的光晕存在时,不使画面整体的反差下降,布且对高光和阴影细部描写也产生十分不利影响。同时,由于光晕存在,对色彩平衡尤其造成整体色再现失常。镜头的膜系性能与胶片感色等性能是匹配是必不可少的。 

彩色反转片的最近发展倾向是色饱和度很高,膜层性能优良是完全必要的。陈旧的色是不贵受欢迎的,反差下降令人讨厌。 

来自胶片厂家信息,希望设计新概念的高性能多层镀膜镜头,便于进一瞳发挥胶片潜力。最近的胶片与以往比较已有明显改进。 

从照相机厂知悉,新的胶片最适宜使用新型镜头,这意味着应推荐摄影尽量使用新型多层膜镜头。 

有些摄影者,喜欢使用古老著名镜头,认为像质还是老镜头好,其实,当前生产的新的胶片性能显示,新设计的镜头对新型胶片来说其照片效果更佳,拍摄后更易获得最佳效果,更易得到色泽鲜艳,色彩饱和,成像清晰、层次分明的满意照片。



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