真能消除紫边？萤石、ED、UD等特殊镜片解析

前几天小胖跟大家讲了讲非球面镜片，有提到小三元里16-35mm和24-70mm都有采用非球面，那可能有朋友就好奇了，为什么70-200mm里不带，如果说小小白太老，那2011年推出的F2.8版小白兔里也没有，这又是为什么呢？因为对于长焦镜头来说，球差的影响变小，但相应的，色散色差的问题会凸显出来，而且长焦镜头想要缩短镜头长度，又不想让场曲变得很严重，普通镜片显然是做不到这一点，非球面虽然有一定作用但能力有限，这时候需要一个低折射率的特殊镜片来满足需求。

所以在长焦镜头里，包括100-400mm镜头甚至400mm以上定焦镜头里，萤石成为不可或缺的特殊镜片，所谓萤石也就是氟化钙结晶，先天就有超低色散的优势，阿贝数高达95.3（阿贝数越高色散越低），但天然萤石光学素质适用于成像系统的大多体积非常小，而且加工难度很高，化学稳定性差，所以现在都是人造萤石为主。

以萤石为代表的特殊镜片主要意义就是低色散，所谓色散就是透镜在折射光线时，不同波长光线会有不同的折射率，如上图所示，不同颜色光线被分离开来，没有办法汇聚于一个点上，从而形成大家耳熟能详的紫边，实际上会根据焦点所处光轴位置不同而颜色不同，通常来说是近端紫红，远端青绿，焦内的高反差区域通常是紫色，所以才被简称为紫边。

有看到不少人争论为什么胶片时代很少见到紫边，事实上紫边主要是可见光谱长波端，也就是接近紫外与红外端的溢出，而银盐胶片对这个波长光线敏感度很低，所以胶片摄影很少见到紫边。但数字传感器就不一样了，它的敏感光谱要来得更宽，虽然镜头本身就已经能够过滤大量紫外光，CMOS滤镜也有降低红色和红外光敏感度，但在高反差高光比的边缘，紫色溢出也是没办法完全避免，所以归根到底还是传感器的锅。

但传感器是基本上动不了了，为了解决这个问题，数码时代只能从镜头开刀，开始大量采用各种方案来解决不同波长光线折射率不同的问题，萤石和人造萤石算是最简单粗暴的方案，除此之外还有一些脑洞大开的方案，比如佳能的DO镜片，也就是绿圈镜头。

所谓DO就是多层衍射元件，传统透镜是波长越短（蓝色）折射率越高，DO镜片则是反过来，使长波长（红色）折射率最大化，然后再配合一片传统透镜来实现“负负得正”，也正因如此，传统长焦镜头需要足够长的镜片距离才能保证抑制色差，DO镜片的加入就能让镜片距离大大缩短，所以绿圈镜头体型都很小巧。

但DO镜片的加工难度非常高，导致成本居高不下，70-300mm F4.5-5.6 DO IS的价格都近万元，基于初代设计的产品大多还遭遇了点光源眩光的问题，即便是新镜头也没有完全解决这个问题，因为这就是多层衍射元件先天的不足，因此佳能现在也没有太多强调这个原本很黑科技的技术。

但萤石和人造萤石的成本也不低，所以现在主流镜头里大多采用的是胶合镜片消色差设计，佳能镜头里的UD、尼康/索尼镜头的ED、腾龙的LD、适马的SLD都是这样的设计，用至少2片镜片互相抵消的方式，实现部分波长光线折射率的在焦平面上的统一，一般来说是凸凹镜胶合，比如上图就是比较经典的冕牌玻璃凸镜+火石玻璃凹镜组合，光谱图如下：

标注为0的中心纵轴为无色差，横轴则是光波长，可见光波长在0.38~0.78之间。跟本文开始那张完全没有消色差设计的单镜片相比，可以看到红蓝两色已经大大收敛，色散得到有效控制。

而蔡司在这方面走得更靠前一点，双镜片胶合消色差只能针对红色与蓝色，也就是可见光谱的两端，蔡司知名的APO镜头就是采用的3片复消色差设计，结构图如下：

可以很明显地看到3片设计对可见光谱里的大多波长光线都能有效整合，其实这项技术确实相当考验品牌设计能力，复消色差对轴向色散的抑制非常有效，因为长焦镜头背景虚化里的轴向色散都是偏绿的，而这恰恰是双镜片胶合消色差的软肋，可以看下面的双镜与三镜设计在焦外色散上的差别：

可以看到圆形背景灯光的边缘绿色色散要小很多，这就是复消色差的威力，从光谱图来看，复消色差的性能也是目前消费级镜头里最强的：

这条曲线明显要平直不少吧，但可以看到即便是这样，从光学系统来看依然无法做到完全消除色差，史上色差校正能力最强的镜头还是来自蔡司（要不怎么说蔡司真的牛X呢），这颗镜头叫Tele-Superachromat 350mm F5.6，隶属哈苏CFE系列，1998年蔡司还推出了惊为天人的Tele-Superachromat 300mm F2.8。其中Superachromat也叫超消色差，它的镜片大量采用萤石材料打造，所以价格上了天，F5.6版二手售价也接近40000元，带增倍镜和保护筒的好成色版轻松上10万人民币。

300mm F2.8版？只做了175只，二手市场基本看不到，最近一次看到时的报价是5万，不过单位是美元……

最后来对比一下光谱图，蓝色曲线的单镜片色差曲线基本没法看；绿色曲线的普通双镜片胶合消色差在可见光谱两端还算不错，但对绿色波长抑制较差；橙色曲线的三片式复消色差曲线明显与标注为0的基准纵轴更加贴合；而红色曲线的超消色差则是更进一步。可以看到从1到2的进步幅度远远大于从3到4，但成本上后者可就高了非常多。

所以对于大多数普通镜头来说，像佳能UD，尼康/索尼ED等采用双镜片胶合的特殊镜片已经是绝对的主流，佳能16-35mm F4这种大家都非常喜欢的实用性镜头就带了2片UD和3片非球面，尼康24-120mm F4也有2片ED和3片非球面。当然也有一些主流大光圈镜头完全没有色差消除的特殊镜片，比如佳能最新的85mm F1.4，尼康的AF-S 85mm F1.4G等等，而采用足足3片ED的索尼85mm F1.4 GM在色散控制上就远强于前两位竞争对手，当然它的价格也是最贵的（这并不完全是采用了ED的原因），所以有没有采用消除色差的特殊镜片也不能当作镜头档次高低的论据，只能说是各个品牌有各自的想法吧。