光學小知識


玻璃原材差異

玻璃是一種呈玻璃態的無定形體,熔解的玻璃經過迅速冷卻(過冷)而成形,雖為固態,但各分子因沒有足夠時間形成晶體,仍凍結在液態的分子排布狀態。

全世界所有玻璃種類依成份規格細分有數百種,於此僅討論與相機有關且常用的透明玻璃,包括有:鈣納玻璃(俗稱青板玻璃)、白板玻璃(如德國Schott B270、D263T)、石英玻璃、特殊強化玻璃(如Corning Gorilla)、冕牌玻璃(如K9 / BK7)、浮法硼矽玻璃(如Schott BOROFLOAT® 33)、藍寶石玻璃…等,各種玻璃除了成分特性相異之外,重要的是其高度精確的折射率、阿貝數和高透明度、高均勻度,才能製造出精良的光學鏡頭與光學儀器。

以STC所使用的德國SCHOTT B270光學白板玻璃來說,原材料在可見光部份就已經有平均91%的穿透率,加上高品質的AR鍍膜,可提升穿透率至99%以上,若使用比較低廉的青板玻璃,原材穿透率只會有87%左右,即使AR鍍膜佳,也僅提高至95%,雖然只是些微的差別,會是影響拍攝畫質的部分因素。

鈉鈣玻璃,或稱蘇打-石灰玻璃,俗稱青板玻璃,是最常見的商業玻璃,簡稱鈉玻。其成份通常是60%~75% 矽土,12%~18% 蘇打及5%~12% 石灰所構成,玻璃透光可達約90%。適用於工業、光學業等相關之產業。其平坦度及玻璃透光率均不及白板玻璃,通常需經由化強、研磨、拋光及避免鈉離子釋出之相關加工。

低鹼玻璃又稱白板玻璃,是一種高透光率的超薄白板玻璃,具有高表面品質、高平坦度等特性,可應用於各式光學元件,如濾鏡鍍膜玻璃基材、CMOS覆蓋玻璃、光學視窗等超薄平板玻璃之領域,其特點為在可見波長範圍內的高透射性達92%、易於加工,以及極佳的耐溫和化學持性能。經常被運用的玻璃原材有德國SCHOTT的B270、D263T、Borofloat,美國Corning的EAGLE2000、EAGLE XG、EAGLE XG),瑞士白板玻璃等。

首德玻璃廠(SCHOTT Glaswerke AG) 是德國製造光學玻璃的專業工廠,1884年由恩斯特·阿貝和奧托·首德在當時的東德的耶拿(Jena)創立。最初的首德玻璃工廠只生產約五十種光學玻璃。二戰後,首德玻璃廠一分為二:一個在東德耶拿,另一個在西德美茵茲(Mainz)。德國統一後,兩個工廠合併為一個公司(Schott Glaswerke AG),現在的美茵茲蕭特玻璃廠是世界上最大的光學玻璃廠。
現在的SCHOTT玻璃公司累計已生產一百多種不同特性的光學玻璃,主要都是用來設計和製造光學透鏡的關鍵原料。大家常聽到的蔡司(Zeiss)鏡片與SCHOTT其實是兩家平行的姐妹公司,SCHOTT負責開發玻璃原材,Zeiss負責設計光學鏡片模組,目前兩家公司股份100%都屬於卡爾·蔡司基金會。STC台灣專業光學濾鏡品牌也一直與台灣首德(SCHOTT台灣分公司)有密切合作,已保證最佳的濾鏡品質。

ND玻璃是有色熔融玻璃的一種,也稱做衰減玻璃,在攝影用途上主要是減少進光量,但又不影響其他可見光光譜的平均穿透率,好維持色彩的均勻呈現,攝影人士可以透過控制光圈或快門,使用減光鏡拍出不同的效果。一般來說,減少光量的單位是以平方做為基礎的計算方式,從ND2、ND4、ND8、ND16、ND32、ND64、ND128、ND256、ND512、ND1024、ND2048、ND4096,每升一級ND值,所有從這個ND濾鏡通過的入光量就比上一個級數少50% ,所以原本100%的穿透率,在經過七個等級的ND減光之後就會低於1%。

 相當於縮小鏡頭直徑相當於縮小鏡頭直徑減少的光圈檔數百分比通光量
沒有安裝中灰鏡原始大小0原始大小100%
ND21/20.3150%
ND41/40.6225%
ND81/80.9312.5%
ND161/161.246.25%
ND321/321.553.125%
ND641/641.861.563%
ND1281/1282.170.781%
ND2561/2562.480.391%
ND5121/5122.790.195%
ND10241/10243100.098%
ND20481/20483.3110.049%
ND40961/40963.6120.024%
ND81921/81923.9130.012%

(Table via WIKIPEDIA)

化學強化玻璃是一種利用化學溶劑(熱硝酸鉀溶液浸泡加溫的工法),讓玻璃表面的鈉離子Na+與鉀離子K+進行離子交換,交換後玻璃表面會產生一定深度的預應力(prestressing force),約為8~40μm,並將這個具有強度的應力留存在玻璃之中,而產生玻璃強化的耐壓成效。

STC濾鏡品牌運用此強化技術,將1.1mmUV保護鏡的光學玻璃強化到SCHOTT B270白板玻璃的極限值350MPa,以達到相當於2.0mm厚玻璃的硬度與耐用度,但又保持了1.1mm玻璃高透光率的優勢。如何測試350MPa的耐壓力?只要把STC的UV保護鏡放在地板上,以高爾夫球90公分高的距離自由落下,砸往鏡片的中央部位,如果沒破,那就是350MPa的抗撞擊表現。

紅外線吸收式玻璃是玻璃裡加入金屬氧化物-氧化鐵Fe2O3、氧化鈰CeO2和氧化鈦TiO2,在高温熔融和低溫退火的工藝條件下直接燒製而成,金屬氧化物呈現膠狀粒子懸浮在玻璃中使光線產生散射(Scattering)及選擇性吸收而著色,可見光的透過率可達到70%以上,鐵離子Fe+2會讓玻璃呈青綠色並且對近紅外線產生吸收作用,鈰Ce+4離子和鈦Ti+4離子則可吸收紫外線。

光學原理

光譜這個字最早是用於描述可見光經過稜鏡(prism)之後,各波長強弱分佈的影像(圖一)。一般的光譜可以分成離散譜跟連續譜兩種,而離散譜又分成吸收光譜與發射光譜。Spectrum這個英文字後來被廣泛應用描述於各種物理量的分佈,例如量測不同分子質量的多寡分佈情形稱作質譜(mass spectrum),而描述電子能量分佈時稱為電子能譜(electron energy spectrum)。

(image via 科學Online

光從一種介質進入另一種不同的透明介質時,在兩介質的界面上會發生部分反射和部分折射的現象,因前進速度改變產生行進方向發生改變的現象稱為折射現象,當光波經過障礙物則會產生干涉與繞射現象。在相機鏡頭上,玻璃表面的平整度,以及鏡頭多片玻璃內部多次來回反射、繞射,都會影響成像品質,現在日益進步的鍍膜技術,可以透過良好的抗反射鍍膜來解決許多耀光或鬼影的問題。

色偏是指在一幅影像中,所捕捉到的光譜來源的平均值不同而造成影像顏色的差異。簡單來說,是可見光光譜700nm-400nm轉換成人眼看的到的顏色就是彩虹色,依序是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,而沒有色偏的定義就是以人眼所見的可見光皆平衡均勻穿透所呈現的影像。

舉例來說,常聽到的冷色調影像就是指,在波長450nm-500nm這段藍綠色的光譜穿透率相對於其它可見光的光譜高出,造成整張照片顏色偏藍,反之,若波長550nm-600nm這段橘黃色光譜比較高,就成為所謂的暖色調影像。

STC全系列濾鏡均是以可見光(波長400nm-650nm)在穿透濾鏡後的平均穿透度為100%做為做色偏的校正基準,有別於一般以測量色偏的方式是以相機拍攝後的成像來計算,此種色偏的判斷有顯著缺點是無法以前端進入光線的原始的色偏進行校正,並造成後端透過相機演算法還原出來的顏色,與真正光線進到相機鏡頭的顏色是不一樣的。

偏光結構原屬於微機電的一環,透過碘料係的染料將偏光片中的染料延展成均勻的光柵結構,讓在同一空間中所有漫射與指向的光源可以經過光柵後變成單一向的光線,在LCD產業尚未開始蓬勃發展之前,高品質的偏光材料是只有軍用與航太用才會使用到的昂貴材料,但在1998年之後,因LCD面板廠大量興起,偏光片材也發展迅速,成本就隨著市場興起而降低,並掀起了廣泛的應用,目前全世界做偏光片的廠家有很多,在亞洲地區比較具規模的有日本的日東(Nitto)、日化(NCI),台灣的明碁材料(BenQ)、奇美材料(CHIMEI)、力特光電(Optimax)等。

(Image via www.gialens.com.tw

可調式減光鏡十字紋的現像(X Pattern or Cross Effect)發生在兩片疊合的偏光片(光柵原理),在旋轉到兩者線性90度相交錯時,造成的光學遮蔽影響,陰影的形狀會隨著交疊的角度由淺變深,到最大值時就變成了很細密的黑色暗影,也因為交疊出來的十字影像與中古時代十字軍東征時的圖騰相似,因此又稱為馬爾他十字紋。

一般來說十字紋現象在愈接近廣角端的鏡頭上愈容易出現,主要是廣角鏡端的繞涉現象由大角度的側面將光柵顯影,使得累積下來顯影的光柵密度愈發突顯十字紋的陰影區塊,然而,當光線繞射的角度改為小角度的長焦段鏡頭時,相同減光值在廣角鏡頭所產生的十字紋就消失了,因此,STC的可調式減光鏡並不做卡榫的設計,限制射影人使只能使用某個區間的減光範圍,只要鏡頭焦段靈活運用得當,就能將可調式減光鏡發揮更多的可能性。

光學鍍膜技術

奈米科技(Nanotechnology)乃根據物質在奈米尺寸下之特殊物理、化學的性質或現象,有效地將原子或分子組合成新的奈米結構。超疏水的奈米結構在光學玻璃表面,會在表面形成一片防水保護層,同時這奈米分子細微到連細菌都無法突破這層層壁壘。

奈米鍍膜達到的最佳密合度做法有許多種,而STC選用的是為離子鍍膜法.在真空爐開始鍍膜前,要先使用離子槍將玻璃表面的微結構以離子撞擊的方式打花,才能讓坩鍋中被打上來的AR奈米粒子有效被助鍍在玻璃表面,提高其附著力。而雙面奈米鍍膜則是更重要但耗工費時的製程了,雖然人眼不容易辨識出單面或雙面鍍膜的差異性,但在高畫素相機的解像力上,所有的光學製成精細度都會被感光元件放大檢視,唯有完整的雙面多層鍍膜才能夠以最佳的光學穿透度來呈現高品質的照片。

當前的光學技術,量產玻璃研磨工法主要先以傳統轉盤研磨之後,分為超精密流體拋光技術和雷射拋光兩種不同的製作流程,若是天文宇宙用鏡頭或超精密的拋光鏡頭,大部分仍使用超精密流體拋光研磨,雷射拋光則以快速量產產品為主,由於自2014年起,數位相機已經開始朝移除低通濾波鏡的高解像力趨勢邁進,相對會造成過往部份已經生產的鏡頭漸漸跟不上高畫素相機的解析度,所以拋光的工藝必需要再更精密,STC全系列鏡片均以超精密流體拋光技術加工生產,其超品質表面平整度將可以應付未來五年之內的高畫素相機使用。

在光學上,牛頓環(英語:Newton’s rings)是一個等厚干涉現象。將一塊平凸透鏡凸面朝下放在一塊平面透鏡上,將單色光直射向凸鏡的平面,可以觀察到一個個明暗相間的圓環條紋。若使用白光,則可以觀察到彩虹狀的圓環彩色條紋。第一個對此現象進行分析的人是英國物理學家艾薩克·牛頓爵士,因而命名為牛頓環。

在濾鏡上,牛頓環可以被用做是玻璃表面平整度的規格,在同一個平面中出現的牛頓環越少的情況下,代表玻璃表面的平整度是相同的,沒有高低落差,可影響光學的成像結果為更加清晰銳利,避免因不平整的鏡片表面而造成影像放大率的不同,尤其是在超高解像力的相機上,任何一個玻璃表面區塊不平整,都會在高畫素下被放大造成成像落差。

AR是抗Anti-Reflection(反射鍍膜)的縮寫,是指透過鍍膜技術將玻璃表面的反光減少,進而增加整體光譜穿透率。

一般來說,光線在通過透明玻璃時會產生到兩次反射,一次是表面受光面的反射,另一面是玻璃內部的反射。早期的玻璃工藝是物理方式將玻璃表面變粗糙以減少反射,但表面粗糙的玻璃是會讓光學解析度下降,在光學濾鏡的產品上,大多數的專業廠商會採用鍍膜的方式,德國蔡司(Zeiss)品牌的T鍍膜就是AR鍍膜技術而知名的,這是起源於二次大戰時期,為了讓德國軍隊的的望遠鏡與瞄具鏡片不會因為反光而被敵人發現,軍方所發展的先進技術,現今則是應用在工業上來增加玻璃穿透度,在2000年的手機市場技術競爭下,也在逐步發展出更多製造高穿透玻璃螢幕的技術。

基本的AR鍍膜技術,能夠讓單面玻璃減少4%左右的反射率,因此雙面鍍膜的玻璃即可減少8%的反射率,換言之,穿透率也就增加了8%(如下圖所示),製作精良的光學鏡頭都會做雙面AR鍍膜,以提高鏡片的穿透率。

但AR鍍膜技術目前唯一缺點是,膜層的材質較軟,容易造成刮痕,有些廠牌的濾鏡就會選擇製作內側單面的AR鍍膜,以減少外側鏡面的外力刮傷,但相對的穿透率就減少4%左右。有鑑於此,STC的鍍膜技術堅持保留高穿透的優勢留給專業攝影人士,以盡力達到完美的畫質,99%的穿透率是以「平均值」來保證,並非「峰值99%」的模稜兩可之詞。

玻璃本質上是絕緣體,會因摩擦或接觸等原因產生靜電,且不容易消除,以致於灰塵微粒容易吸附在其表面,造成清潔保養上的困難。因此,透過抗靜電膜層作為表面活性界面,可賦予高分子材料表面一定的潤滑性、降低摩擦係數、抑製和減少靜電荷,尤其在極為乾燥又風沙大的環境旅遊攝影時,附有抗靜電膜層的濾鏡能夠有效減少沙塵與毛髮的附著,不僅在拍攝上畫質獲得提升,清潔保養時只需拭鏡布與吹球就能輕易的將濾鏡恢復透亮的表面。

耀光與鬼影大多發生在強光直射在鏡頭中讓光產生內部反射或玻璃內漫射的現象,照會造成照片中會有一塊光線遮住原本要截取的影像,或是黑白反差和色調都明顯下降,畫面解析度變差。最基本的預防方式是在烈日或頂光、背光情況下攝影時,務必使用遮光罩,同時也要注意濾鏡與鏡頭的清潔。

當然,高品質鍍膜的濾鏡可以藉由高穿透、抗反射的AR鍍膜技術,有效減少內反射與玻璃內光線漫射的問題,就可減少所謂的鬼影。以STC濾鏡的製程來說,除了耗工費時的成本在玻璃的正反兩面都鍍上多層膜之外,在玻璃切割面的外緣處使用可吸收紅外線光的色墨將玻璃邊緣塗黑,有效減少玻璃內部漫射的光線。

2011年7月1日,歐盟議會和理事會在歐盟官方公報上發佈新版的「電氣、電子設備中限制使用某些有害物質指令」(the Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment),即為常聽到的RoHS指令,由於此次是將整個指令重新審視、更新與修正,等於是整個指令的改版,故一般稱作RoHS 2.0,指令編號為2011/65/EU,闡明了指令管控範圍和相關定義,將管控產品範圍擴大至除特殊豁免外的所有電子電氣設備,有毒有害的禁用物質包括有:鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)、多溴聯苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)、六溴環十二烷(HBCDD)、鄰苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁苄酯(BBP),此世界性規範是為了減輕對環境人類所具有的潛在性風險,達到永續發展的未來。

一般來說,無論是染色玻璃或是光學玻璃在全波段的光源照射下,不同光譜波段區間的穿透率一定都呈現差異性的光線反射或是被吸收,若是內含偏光片或其他複合材料的濾鏡則更為明顯,為了做到平均比率的光譜穿透率,STC在鍍膜技術上開發出SLC模擬線性光譜校正技術( simulative linear calerbaration) 來解決光譜穿透率不平均所造成的色偏問題,簡易來說是先將原光學玻璃材料的總穿透光譜取出一條我們希望可達到的模擬線性光譜,並就此線性把不同區間的光譜穿透率量化,進而設計出需要壓抑或是拉提的光譜區間,使得光譜校正為平均穿透率的理想值,最後以離子真空鍍膜的方式將特定的光譜區間鍍上計量好的光學厚度,就可以將原材料光譜不均的線性修正成為理想的均勻穿透率。

相機成像技術

自2014年起,數位相機因莫爾定律讓半導體制程的IMAGE SENSOR解析度一舉從2400萬畫素拉升到5000萬畫素,到了真正的高畫素時代,當相同的FULL FRAME尺寸下的SENSOR 增加到5000萬畫素時,部分光學鏡頭的解析度已經跟不上Image Sensor的解像力了。所以在超高畫素的時代,光學鏡頭的工藝就一定要更進步,表面拋光處理和表面平整度也要更細緻才能夠有效將相機的成像系統100%發揮出來。

鏡片起霧經常在戶外或極地等高低溫環境落差大的地方所遭遇到的惱人情況,常常要等到鏡片退霧之後才可以再進行拍攝。

     首先來瞭解鏡片起霧的原因,當玻璃長時間在寒冷的戶外或是低溫的冷氣房內,突然快速轉換到一個相對溫暖且有水氣的地方,玻璃材料本身的吸放熱速度很慢,需要花比較長的時間與環境溫度透過熱能量交換而達到平衡,此時水氣凝結吸附在玻璃表面的毛細孔,就會呈現白霧的情形。

STC濾鏡的製程特別以Ultra Layer獨家鍍膜技術,玻璃表面以密合度極佳的奈米鍍膜處理,雙面都以真空離子助鍍法覆蓋上防潑水膜層,扎實地將玻璃表面毛細孔包覆(非一般汽車美容用的噴塗式鍍膜),輕薄的玻璃可以加熱平衡的速度,防水度膜層可以減少水氣附著的霧氣,因此STC的濾鏡能夠防止玻璃起霧而拍不到美景的遺憾。

攝影光學領域內,暗角或暈影(vignetting)是指圖像的外圍部分的亮度飽和度比中心區域低。暗角的出現通常是因為相機的設定和鏡頭的限制因素等,被認為是不希望得到的和非故意的效果,然而,有時卻因為需要創意風格而被刻意加入,可以使圖像中心區的注意。

石英光學低通濾光片(OLPF-Optical Low Pass Filter),主要應用在高階的數位相機感測器上面,因為當感測器在高解析度的影像成像時,會受到不同空間頻率的干涉影響(spatial frequency),造成所謂莫爾條紋(Moire Pattern)的影響,影像會出現鬼影或異常條紋。利用OLPF石英結晶結構的雙折射(birefringency)效應,能夠使影像成像消除莫爾條紋(Moire Pattern)的影響。

鍍膜鏡片的清潔保養

  由於STC的鏡片雙面玻璃表面都是多層複合鍍膜處理,並非單面鍍膜,能讓鏡片達到全面性的抗濕防霉保護,因此並不建議以碳筆或是清潔溶劑來做擦拭,若品質較低劣的清潔用品,恐怕會造成鍍膜的損傷,平時保養只要簡單以水或是乾淨的拭鏡布,就可以輕鬆恢復鏡片的潔淨,若遇到油漬沾染,需要清潔溶劑輔助,建議使用酒精或是乙醚清潔,盡量不要使用含"酮類"的溶劑擦拭。

大多數人在清潔鏡片的時候,經常將同一塊拭鏡布的各區塊輪流重複擦拭所有的鏡片與機身,然而現今良好鍍膜的光學產品,建議可以用更好的習慣來來清潔,可以延長高品質光學產品的壽命。詳細說明原理:拭鏡布的纖維很微小,是為了有效的擦拭掉鏡片表面的灰塵微粒、油漬或是水痕,但這些髒污會殘留在擦拭布上,即便是清洗也很難回復到最初潔淨的程度,當這塊拭鏡布重複使用非常多次之後,就非常有可能把布上頭的髒污在擦拭過程中轉移到新的鏡片上,在此情況下,會增加鏡片清潔乾淨的困難度,甚至是玻璃或鍍膜被布上頭的細沙所刮傷,因此建議將拭鏡布分區塊使用,若整塊布都已經使用過了,最好換新,才能夠長保鏡片的潔淨度與使用壽命。