2013年春。在日本宇都宫工厂内,一款新镜头开始投入生产线。EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。此镜头于2011年发布,等于是两年后才投产。为什么需要这么长的研发周期?关于这款镜头的故事还要追溯到数年前。
  在企划这款镜头时,佳能正在讨论变焦镜头的相关方案,以进一步扩充超远摄镜头系列的阵容。对活跃于第一线的专业摄影师进行调研的结果也表明,用户于对超远摄镜头的需求非常强烈。
  超远摄变焦镜头在市场上已有一定普及,因此大家认为,只要投入佳能现有的科研与技术成果,完全有可能设计出高画质的超远摄变焦镜头。不过,镜头的企划负责人和光学技术研究所的研发者们,提出了更高的研发目标。“一般变焦镜头的光学性能都不如定焦镜头,但我们要做出一款颠覆常识的镜头。”
  当时,新闻和体育领域专业摄影师常用的镜头是EF 400mm f/2.8L IS USM。“要在变焦镜头中实现可与之媲美的高画质”,大家就此达成了共识。
  由于体力或拍摄空间等原因,专业摄影师能带入拍摄现场的镜头有限。考虑其操作性、实际尺寸和重量,200-400mm f/4的镜头已经是极限了。不过,仅有2倍变焦是不够的。定焦镜头是从画质优先的设计理念中应运而生的,而这款超高画质变焦镜头旨在实现可媲美定焦镜头的光学性能。其研发的难度自然是有天壤之别。
  着手进行研究的研发者们脑海中忽然闪现出一丝灵感。
  “内置增倍镜如何?”佳能在研发广播镜头方面有着丰富的经验,这些镜头一直都内置增倍镜。那么,在2倍变焦比为基础的光学系统之上,也许就能够延长实际的焦距。
 在其他厂商,包括胶片在内的单反相机专用镜头中,还从未出现过这样的先例。专业摄影师通常都会熟练使用400mm镜头,在400mm难以拍摄的领域则转接外接的增倍镜,那么内置增倍镜不是更加方便么。而且,佳能在开发镜头方面一直不断追求创新。画质可媲美定焦镜头的内置增倍镜镜头,也许会再一次开启佳能镜头历史的新纪元。
 “世界第一款超高画质的内置增倍镜镜头……不错,试一试吧。”这是发自研发者们内心的声音,新型超远摄变焦镜头的研发项目正式启动。

EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×(近)和EF 400mm f/2.8L IS USM

内置增倍镜的佳能广播镜头

感性的承载

  拥有媲美定焦镜头的超高画质,内置增倍镜的超远摄变焦镜头,EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。负责研发的是佳能光学技术研究所。
  镜头研发的第一步是光学设计。“虽然有困难,但我们有接受挑战的勇气。”担此重任的光学设计部门都做好了攻坚的准备。
  在远摄镜头的光学设计中,抑制色像差是特别关键的课题。而这款镜头追求的就是尽可能抑制色像差,以及变焦导致的多种像差变化。其难点在于插入1.4×增倍镜时,这些像差也会增大至约1.4倍。仅在200-400mm焦段实现高画质是不够的,在最长560mm焦距下,也要实现目标的高画质。
  抑制色像差要使用萤石镜片和UD(超低色散)镜片。要减小整个焦段内的像差变化,关键在于如何配置这些特殊光学材料。为尽可能优化镜头结构,设计者每天都要和“光学CAD(Computer Aided Design)”打交道。
  “光学CAD”是佳能自主研发的辅助设计应用程序,搭载了模拟软件和相关工具。旨在精确、高效地实现目标光学性能。
  但是,“光学CAD”只不过是反映设计者想法的工具而已。而且,模拟所得的“分析方案”,与通过人眼评价出的“最优方案”并不一定吻合。具体怎样组合搭配镜片,什么才是“最优方案”,还是要取决于佳能常年积累的科研技术,以及超越了计算机和软件的光学设计者的感性认识和判断力。通过“光学CAD”摸索并反馈实验结果后发现,内置增倍镜后光学设计变得更艰难,普通的办法似乎行不通。

佳能光学技术研究所。进行光学技术的基础研究与基础研发。

萤石的原石、人工结晶、萤石镜片。

  从研发的初期阶段就决定采用手动式增倍镜。没有什么执行器(驱动系统)比人类的手动作更快、反应更迅速。而且从可靠性和精确性的观点来看,手动式也更加合理。
  光学设计上的问题是,在抑制像差产生的同时应如何配置增倍镜。一般的增倍镜会增加拍摄镜头的长度。但内置式无法实现这样的效果,只能运用镜片的折射能力相应地延长焦距。镜片组负担过重很可能导致产生像差。
  光学设计者经过深思熟虑后提出,“可在一支镜头中,通过取出或插入对200-400mm和280-560mm变焦镜头像差影响都比较少的部分镜片组,来切换这两种变焦镜头的焦距。这应该是实现高画质光学系统的增倍镜片组的理想配置方法”。
  增倍镜的镜片组采用了针对其光学系统进行优化的4组8片结构。此结构主要考虑到了像差,但由于体积过大,影响到了手抖动补偿的光学系统。但这里不能让步,于是光学设计者向值得信赖的机械设计负责人直接提出了“削减IS影像稳定器厚度”的要求。
  最终完成的镜头结构在正常拍摄时有20组25片,而插入增倍镜时有24组33片。是EF镜头史上最庞大的镜头结构。

增倍镜1×时(焦距为200-400mm)※IS影像稳定器

增倍镜1.4×时(焦距为280-560mm)※IS影像稳定器

  光学设计结束后,研发进入了机械设计阶段。其中的一大难点就是如何流畅且高精度地驱动巨大的第2镜片组。
  实际上,从镜头前端镜片向内观察,转动变焦环时,巨大的镜片组会前后移动相当长的距离。这就是第2镜片组,在光学上是变焦和高画质的关键。
  而且,第2镜片组超乎想像的重。仅这组镜片的总重量就超过了200克。要流畅地驱动如此重的玻璃块,对于EF镜头来说是史无前例的。
  这就需要驱动镜片的变焦凸轮镜筒和支撑镜筒的框架具备相当的强度。负责机械设计的团队讨论了材质、形状和零件表面的加工方式。设计过程中因为没有超过200克的设计标准值,只能根据经验推测大致的数值,并输入3D CAD中。仅针对驱动镜片组进行设计,可能会变成强度过大,过于笨重的大型镜头。在与外壳分担强度、配置执行器等多个方面,都能取得恰当的平衡才更为重要。
  零件数是超远摄定焦镜头的2倍以上。3D CAD生成的画面中,有许多零件的形状都从未见过。将这些零件组装后,这款拥有卓越可靠性和操作性的新镜头应该就接近完工了。
  不过,这款拥有EF镜头史上最多的约900个零件的镜头,着实让机械设计者们费了不少脑筋。设计规模过于庞大,因此需要反复进行高效的模拟。“实在是很困难的设计,后期基本靠摸索”(机械设计负责人)说道。模拟器无法做到的,只能借助于机械设计者的经验和智慧。根据以往亲自研发镜头的先例,决定零件厚度和配置间隔等无计其数的参数。机械设计进入了依靠个人专业技艺的领域。

转动变焦环时,能看见巨大的镜片组前后移动。

  要验证设计是否稳妥,只能进行实验并分析结果。除画质外,EF镜头还配备了环境适应性、耐撞击、耐振动以及耐久性等多个实验项目和评价标准。
  不过,品质检验的负责人比以往更加谨慎。这是因为这款产品拥有佳能EF镜头史无前例的庞大镜头结构和精致的机械结构,“有可能会出现意想不到的缺陷”。
  因此,研发人员在假设专业摄影师使用的前提下,对这款镜头进行了严苛的可靠性试验,甚至让人惊呼“这样的测试也要做么?”
  例如,为了测试增倍镜插拔机构的操作极限,研发者们花费数日,反复进行了上万次的开关切换操作。另外,在下落撞击试验中,将试作镜头安装在相机上重现了下落的场景。实验室的地板上不断回荡着会让摄影师崩溃的撞击声音。
  通过了这样高强度测试的试作镜头,还需要接受画质评价测试的洗礼。为了在整个变焦区域内获得高画质,需要一边细微地移动焦距,一边检测分辨率、对比度和像差的变化。检测结束后,还要在插入增倍镜的状态下重复进行相同的实验。
  制作一支镜头,需要花费相当于以往数支变焦镜头的时间和劳动力。而且这项实验共耗费了超过一个月的时间。机械设计的负责人将结果反馈给分析和设计部门,并等待下一次试作和评价实验。时间转瞬即逝,留下的试作镜头足有几十支。

增倍镜手动切换开关通过了几万次的反复切换测试。

  EF镜头是光学、机械和电子的复合技术型产品。因此从研发初期就已经开始着手设计电子控制电路。EF镜头将自身的详细数据记录在ROM中。由于已设想到将来系统的发展,因此预留了足够大的ROM容量。
  但是,EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的ROM却无法完全容纳光学设计所计算出的镜头制动数据。数据量之大可想而知。和不支持增倍镜的变焦镜头相比,启用和关闭内置增倍镜会产生2倍数据量,安装增倍镜EF 1.4×III和EF 2×III时,分别又会产生2倍数据量。这样,数据量会呈指数增涨至2的3次方,简单计算相当于约8倍的容量。
  EF镜头的ROM是订制的,从多种角度分析,简单地增加容量是不合理的。但是增设ROM又会影响系统间的传输速度。于是电子控制电路的设计者开始尝试通过软件压缩数据。
  在进行这项工作的同时,研发者也在着手解决另一个课题。那就是,改良相机镜头间的EOS信息传输系统以支持内置增倍镜。

经粗略计算,这款镜头电子控制程序的数据量约等于其他变焦镜头的8倍。对其进行压缩处理并非易事。

  EOS系统的宗旨就是,组合搭配不同时代和技术规格的机身与镜头时,也能实现切实的系统联动。佳能承诺,每一位EOS用户的相机都能支持内置增倍镜的新镜头。甚至连老款的胶片相机也不例外。因此,佳能对所有的EOS产品进行了调查,并在镜头中搭载了能充分利用内置增倍镜的程序。尽管为此付出了辛勤的汗水,但如果没有这份努力,这款镜头也无法问世。
  这时,EOS数码相机的进化又给设计工作提出了新的要求。编写电子控制的程序时要考虑到自动对焦系统的联动。EOS-1D X的自动对焦系统有了新的发展,镜头所需的数据也和EOS-1D Mark IV截然不同。为了支持新的EOS-1D X,需要增加相应的数据,设计者要进一步压缩编码。完成所有的工作时,庞大的数据恰好能够匹配ROM的容量。

为了在EOS胶片相机上也能切实工作,研发团队对所有EOS产品进行了全面的检查。通过辛勤的努力,还攻克了软件方面的难关。

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不合常理的精密加工

  在EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的设计阶段,要利用计算机模拟筛选出众多课题,并加以解决。通过实物确认镜头性能与品质的试作步骤,难度也非常大。
  负责大规模试生产的是日本宇都宫工厂。为研究零件和组装流程而济济一堂的技术员们,看到设计图时都非常惊讶。首先,零件数量很大,约是超远摄定焦镜头的2倍。其次,形状也很复杂,“似乎无法当场判断哪个零件和哪个零件应当怎样咬合,如何运转”。
  宇都宫工厂中有一个产品技术的团队。他们要在理解设计图的基础上,与生产技术、制造和品质保证等各部门互相协作,制定零件加工、筹备和组装的流程。所谓“生产流程设计”就是他们的工作。
  产品技术负责团队的第一个任务是用投影机放零件的3D影像,并从多个角度进行观察,理解各零件的功能和作用。让人头痛的是,每一个零件都需要高精度的组装。零件中有非常复杂的立体形状,从基准面或基准线进行测量也有不小的难度。而可动零件的“空间”,即使只有一根头发的间隙,也要求以微米为单位进行严格管理。这样一来,现有的测量手段和工具都不再适用,甚至无法保证零件的整体品质。另外,讨论零件的加工步骤时,也要从基础开始验证、改变思路,从而减少加工流程对尺寸精度的影响。
  于是,产品技术的负责人们从确立测量方法着手。为保证零件局部的尺寸精度,就要了解测量零件的哪部分、测量什么参数、如何测量。负责人和技艺纯熟的技术员一起,通过夜以继日的不懈努力,攻克了一个个难关。

不仅零件数量约为超远摄定焦镜头的两倍,且还要求以微米为单位进行严格的管理。

  对镜头等光学设备进行零件加工和组装,需要依靠熟练工人的知识与技巧。无论机械设备如何发展,都无法超越数十年培养起来的指尖微妙的感觉。在宇都宫工厂里,大家充满敬意地将这些熟练工人称为“匠”。
正因为拥有卓越的技艺和丰富的经验,所以工匠们也能理解生产这款镜头究竟有多困难。
  在零件和加工的研讨会上,常常会感受到和以往镜头研发不一样的氛围。以前不太参加研讨会的工匠们都纷纷在会议室露面,有时点点头,有时相互交流意见和想法。
  在制造业中,“有难度”和“制造难”是不同的意思。所谓“有难度”是指需要高超的技艺。佳能的工匠不会说“有难度”,反而会激发出斗志“露一手看看”。而“制造难”是说,在制造流程的某个环节上,有理论上不可行的地方,这会直接影响品质。因此,加工零件的工匠和数十年如一日组装镜头的工匠们,站在和产品技术负责人不同的角度上,提出了改善的建议。将意见反馈给设计部门后,大家再进行审议。
  从研发、设计直到生产阶段,大家频繁地相互交流着跨越各自领域的技术和见解。EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的研发,是在EF镜头历史上未曾有过的全面统战。

设计部门和生产部门热情地相互交流着跨领域的意见。这是在EF镜头史上未曾有过的全面统战。

  就在宇都宫工厂内的讨论在不断发酵时,镜头事业部的企划负责人作出了重要的决定。2012年夏季将举办国际性的运动会。在云集全世界专业摄影师的会场中,佳能将向他们提供新镜头,并征询专业摄影师们对内置增倍镜这一理念的看法,以及对操作性和画质的评价。企划负责人和工厂交涉时说道:“因此10支、20支是不够的,我们希望将超过50支镜头送往现场”。
  这项提案对于工厂来说简直难以置信。尽管拥有多种规格镜头的组装经验,但为了实现这支镜头的设计性能尚需细致的微调,这方面现在正处在摸索的阶段。
  通常来说,对“数量”的挑战还为时尚早。但是显然专业摄影师的评价越及时越好。只要能找到问题,就能反馈给设计部门。另外,为了积累大规模生产的相关经验,这也是不容错过的好机会。“没问题。”宇都宫工厂的生产领导立下了军令状。
 从那天起,便开始了夜以继日的组装工作。和定焦镜头不同,这款镜头旨在整个焦段实现高画质。而且在开启内置增倍镜时,变焦范围会产生变化,再安装外接增倍镜时,又会成为焦距不同的变焦镜头,可谓是一款新型镜头。对组装完毕的镜头进行性能评价时,几乎每支镜头都会出现不同的现象,难以把握微调的方向。光学与机械的要素错综复杂,零件和组装的微小误差都会以意想不到的形式影响产品性能。

为专业摄影师提供试作镜头后,向设计部门转达反馈意见,再进行细致的调整。

  大家连日在工厂彻夜讨论,根据现象与设计数据之间的矛盾,提炼出多种调整方案,孜孜不倦地一一加以实施并确认效果。但有些镜头的反应与设想不符,“真的备受打击”的状况有时一直持续。
不过他们并没有放弃。通过产品技术负责人和工匠们的共同努力,佳能满怀信心地生产出了一支又一支高品质的镜头。
  将预计数量的镜头送往现场后数日。终于从拍摄现场传来了对新镜头的评价。“画质方面并不逊色于EF 400mm f/2.8L IS II USM”,“内置增倍镜的操作性很出色”。有些专业摄影师在拍摄举世瞩目的男子田径决赛时使用了这款镜头。在这种关键场合,一般都会选择自己熟悉的、比较信任的镜头,光是使用新镜头就足以让人感到惊讶,而那位专业摄影师甚至放出了“连拍的所有照片都能使用”的好评。听到这里,企划负责人和宇都宫的技术人员终于长出了一口气。

专业摄影师甚至放出“所有连拍照片都能使用”的好评,技术团队终于长出一口气。

  在运动会上,专业摄影师对这款镜头给出了很高的评价并寄予厚望,这完全超出了之前的预想。作为回应,佳能也希望在专业摄影师期望的“时间”内,提供所需的“数量”。宇都宫工厂充分利用了针对运动会进行大规模试生产时获得的经验技术,着手准备正式大规模生产。为了让每一支镜头都能满足用户需求,大家做好了尽心竭力的思想准备。
  为了进行尝试,佳能举办了由技术员和工匠等组装相关主要成员参加的技术研修。宇都宫工厂将针对多款镜头进行精密调试的技术作为常年累月的技术储备。为了学习这些调试方法,保障内置增倍镜超远摄变焦这一新规格镜头的质量和数量,大家热情高涨,自发组织了这次研修。
 和以往产品相比,生产线的规模大幅扩张。由于零件数很多,设备也有所差异。新的高性能测量设备和调整设备随处可见。
  以往的超远摄镜头,在出厂前都需要进行详细检验,确保性能,但这需要大规模的设备和专用场地。过去只能在完备条件下完成的测量项目和测量精度,这次在生产线上就能直接实现,这也是新生产线的特点。
  虽然需要对相应的设备开发和流程设计进行反复探讨和改善,但宇都宫工厂的技术员们不惜花费大量的时间和精力,为的就是在生产这款镜头时,尽可能获得高画质以满足专业摄影师。
  EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×并不是一款普通的镜头。它代表着,从今以后佳能将继续提供更高性能的镜头。这是一款体现了佳能远大抱负的产品。

EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×是一款体现了佳能远大抱负的产品。它代表着,从今以后佳能将继续提供更高性能的镜头。

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作为变焦镜头,却拥有媲美高画质定焦镜头的成像能力。通过内置增倍镜可获得大变焦范围。为了实现这一目标,佳能倾注了“足以开发多款新型变焦镜头”的时间和研发精力。“这非常有意义”,企划负责人认为付出还是有所回报的。尽管如此,向专业摄影师们发放试作镜头,在运动会试拍的场景依然历历在目。
  在运动场内所见到的专业摄影师们,都在频繁地切换着增倍镜的开关。看似正在拍摄近处的运动员,可是下一瞬间切换开关后,就能对准远处的运动员。“可拍摄的场景更丰富了”、“能拍出以往难以拍摄的作品”他们评价道。
  “这款镜头能改变体育和野生动物等多种摄影领域的拍摄方式”。再次强调新镜头潜力与意义的同时,企划负责人对它今后的表现也寄予厚望。
 EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。一款具有重要意义的崭新镜头,今天诞生于日本宇都宫工厂,正在送往全世界专业摄影师的手中。