镜头素质的大敌——滤镜反射问题

唉,为什么我拿单反拍的夜景有那种看起来就像iPhone 5一样的奇怪光斑呢?

现在不少人为了保护镜头会为镜头装上一片保护滤镜或者是UV滤镜。但是这样总会引起一定的画质下降。最大问题通常是鬼影和眩光。这是镜片间有光线乱反射第二次成了像的缘故。下面我们就来分析这个问题,并且介绍一种目前较好的解决方案。

首先我们看看光线射入一般光学玻璃时候的状况:

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通常情况下,玻璃的两个面都会有4%-5%的反射率。总的反射率随着玻璃的厚度而变化。这是因为玻璃厚度决定了两个面的反射光的光程差,进而决定了他们干涉相消的程度。总会有某些个厚度对于某个频率的光来说是整体无反射的。也会有一些个厚度对应着总反射率的极大值。为了消除通常情况下的反射,我们会在玻璃表面镀膜,用干涉方法消去这个面的大部分反射光(这部分的详细分析请参考系列内容的Vol.1)。但是这个方案仍然会有少量光线被反射,这不可能是完美的。

关于本部分这些反射,吸收和干涉的问题你可以用一种简单的矢量振幅叠加的方法考虑。详见QED: The Strange Theory of Light and Matter, R. P. Feynman.

镀膜后的光学玻璃反射率

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对于未镀膜的面,如上面的介绍,一般反射率在4%左右;单层镀膜的反射率就有所下降,基本达到2%以下。对于镜头内普遍采用的标准的多层光谱镀膜来说,平均的反射率在3‰以下。对于人眼敏感的波长550nm左右的光线的反射率就更低了,平均仅1‰左右。

光线穿过保护滤镜后的情况

那么,既然反光率已经这么低了,那为什么还会有鬼影呢?

光线穿过镀膜后的滤镜之后进入镜头成像。正常的成像光线遇到CMOS之类的反光面会反射回来一部分。这部分光线会穿过镜头(对于镜头,前后两个方向的反射率相较于滤镜都极低),它们遇到保护滤镜的平面后还会有一部分被反射回来,第二次进入镜头成像。这样就会有几个循环,这些过程里产生的鬼影在曝光时被记录下来,成为劣化画质的最大源头。尽管有了良好的滤镜镀膜,但是由于平面的特性,仍然会有光线反射回来二次成像。这是滤镜的光学特性与镜头不统一造成的,因此是不可避免的。

那么,有没有好一点的解决方案能让我们看不见那讨厌的反射光呢?答案是肯定的。

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一种简单易行的解决方案就是,将滤镜设计成没有焦度的曲面镜片,这样二次反射光就会在成像之前散射掉,从而不会被记录,避免了鬼影和眩光。不过这样的设计要严格和镜头匹配,也就是说要单独为每个镜头设计滤镜。这样效率极其低下,成本也会因此升高。所以这种设计难以在一般镜头上推广。

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现在这样的设计出现在一些包含保护玻璃的超远射定焦镜头中。如图所示是一款400mm定焦镜头。前组镜片的第一枚就是这种保护滤镜。这类镜头口径很大,保护不易,这样的设计优势也是很大的。

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