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        2013年春。在日本宇都宮工廠內,一款新鏡頭開始投入生產線。EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。此鏡頭于2011年發布,等于是兩年后才投產。為什么需要這么長的研發周期?關于這款鏡頭的故事還要追溯到數年前。
        在企劃這款鏡頭時,佳能正在討論變焦鏡頭的相關方案,以進一步擴充超遠攝鏡頭系列的陣容。對活躍于第一線的專業攝影師進行調研的結果也表明,用戶于對超遠攝鏡頭的需求非常強烈。
        超遠攝變焦鏡頭在市場上已有一定普及,因此大家認為,只要投入佳能現有的科研與技術成果,就有可能設計出高畫質的超遠攝變焦鏡頭。不過,鏡頭的企劃負責人和光學技術研究所的研發者們,提出了更高的研發目標。“一般變焦鏡頭的光學性能都不如定焦鏡頭,但我們要做出一款改變常識的鏡頭。”
        當時,新聞和體育領域專業攝影師常用的鏡頭是EF 400mm f/2.8L IS USM。“要在變焦鏡頭中實現與之接近的高畫質”,大家就此達成了共識。
        由于體力或拍攝空間等原因,專業攝影師能帶入拍攝現場的鏡頭有限。考慮其操作性、實際尺寸和重量,200-400mm f/4的鏡頭已經很大了。不過,僅有2倍變焦是不夠的。定焦鏡頭是從畫質優先的設計理念中應運而生的,而這款高畫質變焦鏡頭旨在實現類似定焦鏡頭的光學性能。其研發的難度自然是有很大區別。
        著手進行研究的研發者們腦海中忽然閃現出一絲靈感。
        “內置增倍鏡如何?”佳能在研發廣播鏡頭方面有著豐富的經驗,這些鏡頭一直都內置增倍鏡。那么,在2倍變焦比為基礎的光學系統之上,也許就能夠延長實際的焦距。
        在其他廠商,包括膠片在內的單反相機專用鏡頭中,還從未出現過這樣的先例。專業攝影師通常都會熟練使用400mm鏡頭,在400mm難以拍攝的領域則轉接外接的增倍鏡,那么內置增倍鏡不是更加方便么。而且,佳能在開發鏡頭方面一直不斷求新。畫質接近定焦鏡頭的內置增倍鏡鏡頭,也許會再一次開啟佳能鏡頭歷史的新紀元。
        “佳能第一款高畫質的內置增倍鏡鏡頭……不錯,試一試吧。”這是發自研發者們內心的聲音,新型超遠攝變焦鏡頭的研發項目正式啟動。

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

      內置增倍鏡的佳能廣播鏡頭

      感性的承載

        擁有類似定焦鏡頭的高畫質,內置增倍鏡的超遠攝變焦鏡頭,EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。負責研發的是佳能光學技術研究所。
        鏡頭研發的第一步是光學設計。“雖然有困難,但我們有接受挑戰的勇氣。”擔此重任的光學設計部門都做好了攻堅的準備。
        在遠攝鏡頭的光學設計中,抑制色像差是特別關鍵的課題。而這款鏡頭追求的就是盡可能抑制色像差,以及變焦導致的多種像差變化。其難點在于插入1.4×增倍鏡時,這些像差也會增大至約1.4倍。僅在200-400mm焦段實現高畫質是不夠的,在最長560mm焦距下,也要實現目標的高畫質。
        抑制色像差要使用螢石鏡片和UD(超低色散)鏡片。要減小整個焦段內的像差變化,關鍵在于如何配置這些特殊光學材料。為盡可能優化鏡頭結構,設計者每天都要和“光學CAD(Computer Aided Design)”打交道。
        “光學CAD”是佳能自主研發的輔助設計應用程序,搭載了模擬軟件和相關工具。旨在精密、高效地實現目標光學性能。
        但是,“光學CAD”只不過是反映設計者想法的工具而已。而且,模擬所得的“分析方案”,與通過人眼評價出的“最優方案”并不一定吻合。具體怎樣組合搭配鏡片,什么才是“最優方案”,還是要取決于佳能常年積累的科研技術,以及超越了計算機和軟件的光學設計者的感性認識和判斷力。通過“光學CAD”摸索并反饋實驗結果后發現,內置增倍鏡后光學設計變得更艱難,普通的辦法似乎行不通。

      佳能光學技術研究所。進行光學技術的基礎研究與基礎研發。

      螢石的原石、人工結晶、螢石鏡片。

        從研發的初期階段就決定采用手動式增倍鏡。沒有什么執行器(驅動系統)比人類的手動作更快、反應更迅速。而且從可靠性和精度的觀點來看,手動式也更加合理。
        光學設計上的問題是,在抑制像差產生的同時應如何配置增倍鏡。一般的增倍鏡會增加拍攝鏡頭的長度。但內置式無法實現這樣的效果,只能運用鏡片的折射能力相應地延長焦距。鏡片組負擔過重很可能導致產生像差。
        光學設計者經過深思熟慮后提出,“可在一支鏡頭中,通過取出或插入對200-400mm和280-560mm變焦鏡頭像差影響都比較少的部分鏡片組,來切換這兩種變焦鏡頭的焦距。這應該是實現高畫質光學系統的增倍鏡片組的理想配置方法”。
        增倍鏡的鏡片組采用了針對其光學系統進行優化的4組8片結構。此結構主要考慮到了像差,但由于體積過大,影響到了手抖動補償的光學系統。但這里不能讓步,于是光學設計者向值得信賴的機械設計負責人直接提出了“削減IS影像穩定器厚度”的要求。
        最終完成的鏡頭結構在正常拍攝時有20組25片,而插入增倍鏡時有24組33片。是EF鏡頭史上最龐大的鏡頭結構。

      增倍鏡1×時(焦距為200-400mm)※IS影像穩定器

      增倍鏡1.4×時(焦距為280-560mm)※IS影像穩定器

        光學設計結束后,研發進入了機械設計階段。其中的一大難點就是如何流暢且高精度地驅動巨大的第2鏡片組。
        實際上,從鏡頭前端鏡片向內觀察,轉動變焦環時,巨大的鏡片組會前后移動相當長的距離。這就是第2鏡片組,在光學上是變焦和高畫質的關鍵。
        而且,第2鏡片組超乎想像的重。僅這組鏡片的總重量就超過了200克。要流暢地驅動如此重的玻璃塊,對于EF鏡頭來說是從未嘗試過的。
        這就需要驅動鏡片的變焦凸輪鏡筒和支撐鏡筒的框架具備相當的強度。負責機械設計的團隊討論了材質、形狀和零件表面的加工方式。設計過程中因為沒有超過200克的設計標準值,只能根據經驗推測大致的數值,并輸入3D CAD中。僅針對驅動鏡片組進行設計,可能會變成強度過大,過于笨重的大型鏡頭。在與外殼分擔強度、配置執行器等多個方面,都能取得適當的平衡才更為重要。
        零件數是超遠攝定焦鏡頭的2倍以上。3D CAD生成的畫面中,有許多零件的形狀都從未見過。將這些零件組裝后,這款擁有強大可靠性和操作性的新鏡頭應該就接近完工了。
        不過,這款擁有EF鏡頭史上最多的約900個零件的鏡頭,著實讓機械設計者們費了不少腦筋。設計規模過于龐大,因此需要反復進行高效的模擬。“實在是很困難的設計,后期基本靠摸索”(機械設計負責人)說道。模擬器無法做到的,只能借助于機械設計者的經驗和智慧。根據以往親自研發鏡頭的先例,決定零件厚度和配置間隔等無計其數的參數。機械設計進入了依靠個人專業技藝的領域。

      轉動變焦環時,能看見巨大的鏡片組前后移動。

        要驗證設計是否穩妥,只能進行實驗并分析結果。除畫質外,EF鏡頭還配備了環境適應性、耐撞擊、耐振動以及耐久性等多個實驗項目和評價標準。
        不過,品質檢驗的負責人比以往更加謹慎。這是因為這款產品擁有佳能EF鏡頭從未嘗試過的龐大鏡頭結構和精致的機械結構,“有可能會出現意想不到的缺陷”。
        因此,研發人員在假設專業攝影師使用的前提下,對這款鏡頭進行了嚴苛的可靠性試驗,甚至讓人驚呼“這樣的測試也要做么?”
        例如,為了測試增倍鏡插拔機構的操作限度,研發者們花費數日,反復進行了上萬次的開關切換操作。另外,在下落撞擊試驗中,將試作鏡頭安裝在相機上重現了下落的場景。實驗室的地板上不斷回蕩著會讓攝影師崩潰的撞擊聲音。
        通過了這樣高強度測試的試作鏡頭,還需要接受畫質評價測試的洗禮。為了在整個變焦區域內獲得高畫質,需要一邊細微地移動焦距,一邊檢測分辨率、對比度和像差的變化。檢測結束后,還要在插入增倍鏡的狀態下重復進行相同的實驗。
        制作一支鏡頭,需要花費相當于以往數支變焦鏡頭的時間和勞動力。而且這項實驗共耗費了超過一個月的時間。機械設計的負責人將結果反饋給分析和設計部門,并等待下一次試作和評價實驗。時間轉瞬即逝,留下的試作鏡頭足有幾十支。

      增倍鏡手動切換開關通過了幾萬次的反復切換測試。

        EF鏡頭是光學、機械和電子的復合技術型產品。因此從研發初期就已經開始著手設計電子控制電路。EF鏡頭將自身的詳細數據記錄在ROM中。由于已設想到將來系統的發展,因此預留了足夠大的ROM容量。
        但是,EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的ROM卻無法完全容納光學設計所計算出的鏡頭制動數據。數據量之大可想而知。和不支持增倍鏡的變焦鏡頭相比,啟用和關閉內置增倍鏡會產生2倍數據量,安裝增倍鏡EF 1.4×III和EF 2×III時,分別又會產生2倍數據量。這樣,數據量會呈指數增漲至2的3次方,簡單計算相當于約8倍的容量。
        EF鏡頭的ROM是訂制的,從多種角度分析,簡單地增加容量是不合理的。但是增設ROM又會影響系統間的傳輸速度。于是電子控制電路的設計者開始嘗試通過軟件壓縮數據。
        在進行這項工作的同時,研發者也在著手解決另一個課題。那就是,改良相機鏡頭間的EOS信息傳輸系統以支持內置增倍鏡。

      經粗略計算,這款鏡頭電子控制程序的數據量約等于其他變焦鏡頭的8倍。對其進行壓縮處理并非易事。

        EOS系統的宗旨就是,組合搭配不同時代和技術規格的機身與鏡頭時,也能實現切實的系統聯動。佳能承諾,EOS用戶的相機都能支持內置增倍鏡的新鏡頭。甚至連老款的膠片相機也不例外。因此,佳能對所有的EOS產品進行了調查,并在鏡頭中搭載了能充分利用內置增倍鏡的程序。盡管為此付出了辛勤的汗水,但如果沒有這份努力,這款鏡頭也無法問世。
        這時,EOS數碼相機的進化又給設計工作提出了新的要求。編寫電子控制的程序時要考慮到自動對焦系統的聯動。EOS-1D X的自動對焦系統有了新的發展,鏡頭所需的數據也和EOS-1D Mark IV截然不同。為了支持新的EOS-1D X,需要增加相應的數據,設計者要進一步壓縮編碼。完成所有的工作時,龐大的數據恰好能夠匹配ROM的容量。

      為了在EOS膠片相機上也能切實工作,研發團隊對所有EOS產品進行了檢查。通過辛勤的努力,還攻克了軟件方面的難關。

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      不合常理的精密加工

        在EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的設計階段,要利用計算機模擬篩選出很多課題,并加以解決。通過實物確認鏡頭性能與品質的試作步驟,難度也非常大。
        負責大規模試生產的是日本宇都宮工廠。為研究零件和組裝流程而濟濟一堂的技術員們,看到設計圖時都非常驚訝。首先,零件數量很大,約是超遠攝定焦鏡頭的2倍。其次,形狀也很復雜,“似乎無法當場判斷哪個零件和哪個零件應當怎樣咬合,如何運轉”。
        宇都宮工廠中有一個產品技術的團隊。他們要在理解設計圖的基礎上,與生產技術、制造和品質保證等各部門互相協作,制定零件加工、籌備和組裝的流程。所謂“生產流程設計”就是他們的工作。
        產品技術負責團隊的第一個任務是用投影機放零件的3D影像,并從多個角度進行觀察,理解各零件的功能和作用。讓人頭痛的是,每一個零件都需要高精度的組裝。零件中有非常復雜的立體形狀,從基準面或基準線進行測量也有不小的難度。而可動零件的“空間”,即使只有一根頭發的間隙,也要求以微米為單位進行嚴格管理。這樣一來,現有的測量手段和工具都不再適用,甚至無法保證零件的整體品質。另外,討論零件的加工步驟時,也要從基礎開始驗證、改變思路,從而減少加工流程對尺寸精度的影響。
        于是,產品技術的負責人們從確立測量方法著手。為保持零件局部的尺寸精度,就要了解測量零件的哪部分、測量什么參數、如何測量。負責人和技藝純熟的技術員一起,通過夜以繼日的不懈努力,攻克了一個個難關。

      不僅零件數量約為超遠攝定焦鏡頭的兩倍,且還要求以微米為單位進行嚴格的管理。

        對鏡頭等光學設備進行零件加工和組裝,需要依靠熟練工人的知識與技巧。機械設備再怎么發展,都無法超越數十年培養起來的指尖微妙的感覺。在宇都宮工廠里,大家充滿敬意地將這些熟練工人稱為“匠”。
      正因為擁有良好的技藝和豐富的經驗,所以工匠們也能理解生產這款鏡頭究竟有多困難。
        在零件和加工的研討會上,常常會感受到和以往鏡頭研發不一樣的氛圍。以前不太參加研討會的工匠們都紛紛在會議室露面,有時點點頭,有時相互交流意見和想法。
        在制造業中,“有難度”和“制造難”是不同的意思。所謂“有難度”是指需要專業的技藝。佳能的工匠不會說“有難度”,反而會激發出斗志“露一手看看”。而“制造難”是說,在制造流程的某個環節上,有理論上不可行的地方,這會直接影響品質。因此,加工零件的工匠和數十年如一日組裝鏡頭的工匠們,站在和產品技術負責人不同的角度上,提出了改善的建議。將意見反饋給設計部門后,大家再進行審議。
        從研發、設計直到生產階段,大家頻繁地相互交流著跨越各自領域的技術和見解。EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×的研發,是在EF鏡頭歷史上未曾有過的統戰。

      設計部門和生產部門熱情地相互交流著跨領域的意見。這是在EF鏡頭史上未曾有過的統戰。

        就在宇都宮工廠內的討論在不斷發酵時,鏡頭事業部的企劃負責人作出了重要的決定。2012年夏季將舉辦國際性的運動會。在云集全世界專業攝影師的會場中,佳能將向他們提供新鏡頭,并征詢專業攝影師們對內置增倍鏡這一理念的看法,以及對操作性和畫質的評價。企劃負責人和工廠交涉時說道:“因此10支、20支是不夠的,我們希望將超過50支鏡頭送往現場”。
        這項提案對于工廠來說簡直難以置信。盡管擁有多種規格鏡頭的組裝經驗,但為了實現這支鏡頭的設計性能尚需細致的微調,這方面現在正處在摸索的階段。
        通常來說,對“數量”的挑戰還為時尚早。但是顯然專業攝影師的評價越及時越好。只要能找到問題,就能反饋給設計部門。另外,為了積累大規模生產的相關經驗,這也是不容錯過的好機會。“沒問題。”宇都宮工廠的生產領導立下了軍令狀。
        從那天起,便開始了夜以繼日的組裝工作。和定焦鏡頭不同,這款鏡頭旨在整個焦段實現高畫質。而且在開啟內置增倍鏡時,變焦范圍會產生變化,再安裝外接增倍鏡時,又會成為焦距不同的變焦鏡頭,可謂是一款新型鏡頭。對組裝完畢的鏡頭進行性能評價時,差不多每支鏡頭都會出現不同的現象,難以把握微調的方向。光學與機械的要素錯綜復雜,零件和組裝的微小誤差都會以意想不到的形式影響產品性能。

      為專業攝影師提供試作鏡頭后,向設計部門轉達反饋意見,再進行細致的調整。

        大家連日在工廠徹夜討論,根據現象與設計數據之間的矛盾,提煉出多種調整方案,孜孜不倦地一一加以實施并確認效果。但有些鏡頭的反應與設想不符,“真的備受打擊”的狀況有時一直持續。
      不過他們并沒有放棄。通過產品技術負責人和工匠們的共同努力,佳能滿懷信心地生產出了一支又一支高品質的鏡頭。
        將預計數量的鏡頭送往現場后數日。終于從拍攝現場傳來了對新鏡頭的評價。“畫質方面并不遜色于EF 400mm f/2.8L IS II USM”,“內置增倍鏡的操作性很好”。有些專業攝影師在拍攝舉世矚目的男子田徑決賽時使用了這款鏡頭。在這種關鍵場合,一般都會選擇自己熟悉的、比較信任的鏡頭,光是使用新鏡頭就讓人感到驚訝,而那位專業攝影師甚至放出了“連拍的照片都能使用”的好評。聽到這里,企劃負責人和宇都宮的技術人員終于長出了一口氣。

      專業攝影師甚至放出“所連拍照片都能使用”的好評,技術團隊終于長出一口氣。

        在運動會上,專業攝影師對這款鏡頭給出了很高的評價并寄予厚望,這是之前沒有預料到的。作為回應,佳能也希望在專業攝影師期望的“時間”內,提供所需的“數量”。宇都宮工廠充分利用了針對運動會進行大規模試生產時獲得的經驗技術,著手準備正式大規模生產。為了讓每一支鏡頭都能應對用戶需求,大家做好了盡心竭力的思想準備。
        為了進行嘗試,佳能舉辦了由技術員和工匠等組裝相關主要成員參加的技術研修。宇都宮工廠將針對多款鏡頭進行精密調試的技術作為常年累月的技術儲備。為了學習這些調試方法,保障內置增倍鏡超遠攝變焦這一新規格鏡頭的質量和數量,大家熱情高漲,自發組織了這次研修。
        和以往產品相比,生產線的規模大幅擴張。由于零件數很多,設備也有所差異。新的高性能測量設備和調整設備隨處可見。
        以往的超遠攝鏡頭,在出廠前都需要進行詳細檢驗,檢查性能是否符合要求,但這需要大規模的設備和專用場地。過去只能在完備條件下完成的測量項目和測量精度,這次在生產線上就能直接實現,這也是新生產線的特點。
        雖然需要對相應的設備開發和流程設計進行反復探討和改善,但宇都宮工廠的技術員們不惜花費大量的時間和精力,為的就是在生產這款鏡頭時,盡可能獲得高畫質以符合專業攝影師的要求。
        EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×并不是一款普通的鏡頭。它代表著,從今以后佳能將繼續提供更高性能的鏡頭。這是一款體現了佳能遠大抱負的產品。

      EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×是一款體現了佳能遠大抱負的產品。它代表著,從今以后佳能將繼續提供更高性能的鏡頭。

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      作為變焦鏡頭,卻擁有類似高畫質定焦鏡頭的成像能力。通過內置增倍鏡可獲得大變焦范圍。為了實現這一目標,佳能傾注了“夠開發多款新型變焦鏡頭”的時間和研發精力。“這非常有意義”,企劃負責人認為付出還是有所回報的。盡管如此,向專業攝影師們發放試作鏡頭,在運動會試拍的場景依然歷歷在目。
        在運動場內所見到的專業攝影師們,都在頻繁地切換著增倍鏡的開關。看似正在拍攝近處的運動員,可是下一瞬間切換開關后,就能對準遠處的運動員。“可拍攝的場景更豐富了”、“能拍出以往難以拍攝的作品”他們評價道。
        “這款鏡頭能改變體育和野生動物等多種攝影領域的拍攝方式”。再次強調新鏡頭潛力與意義的同時,企劃負責人對它今后的表現也寄予厚望。
        EF 200-400mm f/4L IS USM EXTENDER 1.4×。一款具有重要意義的嶄新鏡頭,今天誕生于日本宇都宮工廠,正在送往全世界專業攝影師的手中。

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