对轻的苛求与对技术的执着
成就专业级的摄影利器

EF 400mm f/2.8L IS III USM
EF 600mm f/4L IS III USM

开发访谈

章节 2:轻量化① 光学

实现“轻量化”少不了光学系统的改良,多种新思维研究课题中诞生的镜头结构

为实现轻量化的目标需要从根本上进行改变,困难之大可以想像。
解决问题的希望,来自于反复研究获得的后方集中配置型新光学系统。
技术人员的热情,克服了新光学系统带来的不安。

新光学结构,使轻便与高画质兼备

影像交流事业本部
ICB光学开发中心
EF 400mm f/2.8L IS III USM 光学设计
斋藤慎一郎

有了新光学系统的方案,
开发目标总算有了着落

——最初是设定了什么样的目标呢?实现大幅轻量化的契机是什么呢?

岛田(商品企划):在设计开始的阶段,团队目标是重量控制在3000克以下。

长尾(开发带头人):契机可以说是光学设计部门提出了新的光学系统方案。一直以来,佳能都面向未来不间断地进行着关键技术的开发,从新玻璃材料的研究及其适用方法,到评价手段等,多种研究课题并行。在第三代镜头的设计开始之前,光学设计部门就已经使用新的材料竞相提出了不少新光学系统的相关方案,这些方案经过激烈的竞争,并从兼顾轻量化和性能的角度筛选和深化后,就形成了如今的光学系统。

斋藤(光学设计):400mm镜头在第二代开发时省去了保护镜片,采用萤石镜片,比第一代镜头轻了很多。而本次第三代的镜头构成图一目了然,与第二代有着截然不同的光学系统。第三代中使用了萤石镜片、超级UD镜片(超低色散)以及新玻璃材质,形成从第二片镜片以后的镜片都集中分布于后侧的“后方集中配置型”光学系统。

与第二代相比改变较大的镜头构成
EF 400mm f/2.8L IS III USM

镜头构成的让人想像不到同是428镜头。与第二代在镜片数量上仅差1片,但是明显可以看出第三代采用的是“后方集中配置型”光学系统。

EF 400mm f/2.8L IS II USM(第二代)

EF 400mm f/2.8L IS III USM(第三代)

中原(光学设计) :600mm镜头第三代在设计时也采用了与400mm同样的光学系统。缩小镜片的直径可以获得大幅减重的效果,但是第一片镜片的直径由光学系统整体的焦距以及光圈大小决定,缩小这片镜片存在一定的困难。因此我们着眼于对第二片镜片以后的镜片进行减重,尽量加大第一片与第二片镜片的间距,缩小第二片以后镜片的直径。同时我们推翻了之前的镜头结构,并采用了以前所未曾采用过的玻璃材质,在保持第二代镜头高成像素质的基础上,以轻量化为目标重新设计镜头构成。第一片镜片便采用了新玻璃材质,其特征是有着比一般的低色散镜片更高的折射率,重量也更轻。将这种新材料用于第一片镜片,实现了轻量化的同时,也达到了抑制球面像差及色像差的效果。

斋藤:并且也采用了异常色散性高的其他新玻璃材质,这样一来,即使将第二片以后的镜片都后移,抑制色像差的效果也与第二代镜头基本相同。将镜片后移,可以缩小镜片的直径,减轻镜头的重量,同时也能够使重心向后移(移向相机机身),可以说是一石二鸟的光学系统。

与第二代相比改变较大的镜头构成
EF 600mm f/4L IS III USM

与400mm镜头一样,镜头前部很空,镜片向后方集中是第三代镜头的特点。从三脚架接环的位置可以看出镜头的重心向后方移动了,同时光圈的位置前移。EMD电磁光圈单元变大了。

EF 600mm f/4L IS II USM(第二代)

EF 600mm f/4L IS III USM(第三代)

问题层出不穷
光学设计、机械设计、电子设计与制造部门
团结一致攻克难关

——既然是新开发的光学系统,应该也会出现一些新的问题。

斋藤:以光学设计角度来考虑,要实现目标的轻量化需要解决两大课题。其一,是光圈的位置前移带来的EMD电磁光圈单元的大型化。其二是第三片镜片的做薄(第三片镜片的做薄请参见“制造技术”部分)。

市濑(电子设计):因为光圈位置比第二代更靠前,EMD电磁光圈单元也是EF镜头中最大的。因此光圈的驱动量,驱动负荷也相应加大,比起其他型号,实现高速高精度的光圈控制也更加难。所以我们在驱动光圈的步进马达上安装了新的感应器,用来实时检测马达的运转速度,并进行相应的控制。由此我们成功地使步进马达的能力得到了最大限度的发挥,即使EMD电磁光圈单元增大了,也可以实现比第二代镜头更快的动作速度。

——使用新玻璃材质的光学系统实现了突破。少见的新镜头构成,也铺平了通向大幅轻量化的道路。

影像交流事业本部
ICB光学开发中心
EF 600mm f/4L IS III USM 光学设计
中原诚

高速·高精度驱动的大型EMD

为了使增大后的光圈叶片能高速且切实地开合,需要让步进马达及时高速地动作。

章节 2:轻量化② 机械

既有思路上看不到解决办法,镜筒设计方向大转舵

要使金属镜筒变轻就要整体轻薄化
但光是这样的话明显不可能实现大幅的轻量化。
为实现自定的高目标,从构造到材料都得进行大翻新。

新镜筒材质,兼顾轻便与耐用,野外拍摄也安心

影像交流事业本部
ICB光学开发中心
机械设计
早川诚

设定更高的目标
不被既有概念所束缚,用新想法来迎接挑战

——请给我们介绍一下构造、材料等与机械相关要素的轻量化方针。

早川(机械设计):2011年发售的400mm第二代镜头在设计的时候,为了减轻哪怕是一根头发丝的重量,我们都进行了相当深入的研究,因此如今想要做得再轻绝非是一件简单的事情。对于镜筒和外部构造来说,削减体量也有其极限,有的时候会对强度以及光学性能产生影响。因此做为机械设计人员,首先要考虑的应该是如何在不降低坚固性和光学性能的基础上,向着更高的目标迈进。一开始,比起团队设定的目标,我在自己心中设立了“比第二代再轻1000克”这样高难度的目标。而为此我们围绕着以下3点进行了探讨:①在保证坚固性以及光学精度的前提下翻新以前的基本构造,②更新各个组件,③采用新的光学调节方式。研究的结果让我们相信可以在不降低光学性能和牢固性的基础上,实现高水准的轻量化。

减少零部件的数量
能够在轻量化的同时提升坚固性

——对焦环的电子化也发挥了正面的作用吗?

早川:是这样的。伴随着对焦环的电子化,我们在构造上也进行了相应的改进。第二代镜头的对焦环与对焦单元是机械连接(物理连接),因此镜筒部分主要由固定筒、中间筒、USM超声波马达以及第一组镜筒等4部分构成。第三代镜头上对焦环电子化,对焦单元(USM)被内包,因此镜筒就由固定筒与第一组镜筒两部分构成。零部件的减少带来的不仅是轻量化,在坚固性方面也有了提升。另外各零件间的连接部分变少,在组装精度等方面也有优势,同时也提高了各镜片位置的精度。

采用新型高强度合金

——听说镜筒采用了新型的合金。

长尾(开发带头人):在材料方面重要的变化,就是采用了新型的高强度合金,即新型碳强化镁合金,因为含有碳元素,因此合金的结晶更加细微,材料性能得到了提升。同时这种材料的特征是有很强的流动性,进行触变成形可以得到更加轻薄的镜筒形状。以400mm镜头的第一组镜筒为例,触变成形的镜筒最薄的部分达到了0.8毫米,厚度减少了约2成,在充分维持强度的同时,实现了轻量化。这种碳强化镁合金,在三脚架接环以及后侧的外壳筒上也有采用。

早川:碳强化镁合金以外的外壳材料使用了锻造镁合金,其中一些部件采用了将镁块进行敲打成型的手法,能够有效地抵抗冲击力。另外,还采用了一部分铝合金材料。在重视性能的前提下,我们在几种镁合金与铝合金中选择合适的材料来制作外壳。在制作尺寸更大的600mm镜头的第一组镜筒时,我们也探讨了分成两部分制作的方案,但是通过各部门的深入研究,还是将其整合为了一个部件。

——机械部门改进基本构造,使用新型金属材料和新的加工技术,实现了轻量化的目标,同时使镜身具备了能够承受专业拍摄的坚固性,而这一切都归功于他们向着更高目标前进的挑战精神。在无法大幅改变镜头外部尺寸的情况下,能够完成目标,靠的不仅仅是积累起来的经验,还有能够转换思路和勇于挑战的精神。这也是这款轻量超远摄镜头能够诞生的原因。

轻量化的关键之一:第一组镜筒

由于自动对焦环电子化,原本由4部分组成的第二代镜筒到了第三代变成了2部分组成。其中的第一组镜筒,使用了碳强化镁合金,比以轻量著称的铝合金还要轻。

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