红圈镜头发源地 探访佳能宇都宫工厂


久闻大名的佳能光学大本营宇都宫工厂,位于日本关东地区北部宇都宫市枥木县,东京以北约105公里。这里,佳能的红圈镜头从研发到生产一条龙进行,并向佳能其它地区的工厂提供技术支持。


宇都宫工厂极少对外开放,据说这次是第一次向中国媒体团正式开放。从而也可以看出EOS R专微发布后,佳能公司的良苦用心。此行,佳能特意为媒体安排参观了3个车间,分别是SWC镀膜生产车间,镜头组装车间,球面镜片加工车间。虽说只是3个点,但诚意满满。佳能希望借媒体的记录,向中国消费者表达其超高光学设计的生产和工艺水准,以及精良的品质把控。



参观过程中不允许拍摄,所以本文配图均来自佳能官方资料。


一、 SWC(亚波长结构镀膜)车间


光线会在镜头内部重复反射,最后在传感器上形成眩光或鬼影。之所以产生反射,是因为镜片玻璃和空气边界处的折射率发生了突然的变化。传统镀膜仍然会有1%左右的光线被反射,这看起来很小的光线会对成像形成干扰,特别是在数码相机时代。


SWC镀膜首次搭载在佳能EF 24mm f/1.4L II USM镜头上,目前这种镀膜技术应用在15只佳能红圈镜头上。最新推出的RF28-70mm F2 L USM就是其中之一(该镜头组中开角最大的镜片)。


在一只镜头的光学镜组中,SWC镀膜覆盖于易于产生鬼影的镜片表面。这比传统蒸汽镀膜效果更佳,可以将光线的损失缩减到0.1%-0.3%(45度入射时)。


SWC镀膜本质上是氧化铝微结晶,在镜头表面形成一个小于可见光波长的楔形显微结构,就像200nm高的刺,这种结构能够持续改变折射率,从而消除折射率突然改变的边界,通过结构上的特性来抑制反射效果。目前,佳能只有宇都宫工厂拥有SWC(亚波长结构镀膜)车间。


SWC材料涂布设备


虽然这个高度无菌车间并未允许我们真正进入,只是隔着玻璃看个大概。但佳能通过车间外的模型和播放视频让我们了解SWC的生产工艺。先是将镀膜液滴在镜片上,然后高速旋转涂匀。随后进行烧成和干燥。最后在温水中使镜片表面微结晶化。


二、 镜头组装车间


我们穿上和工人一样的防尘服,带上帽子、口罩进入车间。一条生产线正在进行某一型号的生产,工人将镜片和镜筒组合成单个的镜片单元,再通过引导筒单元嵌入组合好的镜片单元,进行光学调整,利用偏芯滚柱调整镜片的倾斜,利用非偏芯滚柱调整镜片的偏移。之后是安装对焦单元,基板和卡口。看似平凡的装配和调试过程中,实则能体味到佳能光学设计的积淀和投入。


镜筒单体部件组装


为了镜片的组装,佳能自主开发了很多设计和模拟工具,通过光学模拟和公差分析,配合内部研发的测量器械,精密地将镜头的各个部件组装到一起。在组装车间里面我们看到,自动化的仪器基本上完成了绝大部分的镜头组装工作,人工更多是参与到镜片的光学调整工作方面。


SFR测量,对镜头分辨率等指标进行数据采集


而对于最后的镜头测试阶段,佳能运用了自动化的测试技术进行数据采集。每个镜头都会安装到真实的机身上进行成像质量测试,通过测试横,竖,竖(反向)三个测试角度,而且在广角端,中间焦段,长焦焦段分别进行测试,一共拍摄9张测试照片。


佳能就某一参数举例,其测试结果会实时出现在一个统计屏幕中,屏幕上有一个圆,中心是最理想的,圈里的是合格产品。其实按理说屏幕外还有一个更大的圆,大圆里的都是合格的。但是佳能为了看到更细微的变化,所以屏幕里的圆实际是很小的。


这里还涉及到了大数据分析。如果一段时间内生产的镜头都朝某个方向偏,能让工作人员察觉到生产流程或工艺上哪里有问题,及时调整。


三、 球面镜片加工车间


球面镜片的加工步骤及使用的研磨工具


镜片的加工原料是玻璃溶成的毛胚,加工主要分为以下几个步骤:

1、 使用杯型研磨工具,将镜片塑形为具有一定曲率和尺寸的曲面;

2、 用金刚石颗粒工具,将镜片研磨得接近设计曲率;

3、 使用研磨剂在聚氨酯板上精细加工,达到设计图纸中指定精度;

4、 中心定位,研磨外边缘调整光轴,防止中心偏离;

5、 使用清洗剂,利用超声波振动,将玻璃表面的油污或研磨剂洗去。


佳能对于镜片加工的精度十分严格,以非球面镜片为例,佳能的要求是表面的精度误差小于0.1μm,而表面弯曲的误差要小于0.01μm。



这是一个怎样的概念呢,举个例子,假设把这片非球面镜片放大成中国国家大剧院的屋顶的样子,该镜片的形状误差相当于控制在0.6mm,而表面凹凸误差控制在0.06mm,此时才大概是一根头发的厚度!


镜片的抛光工序


镜片中心定位工序


球面镜片的加工


虽然绝大部分的步骤通过佳能自主研发的自动化生产设备进行机械化生产,但是依然有一小部分的关键步骤无法将其自动化。例如,研磨工具大约每生产30个镜片之后,会减少10μm左右的物质。这时候需要模具的母工具对其进行再次加工,所以,加工精度最终是由制造研磨工具的母工具决定的。



而决定这个母工具精度的,是一双匠人的手!


镜片抛光高级技师 斋藤敏夫 先生


镜片抛光高级技师(匠人)斋藤敏夫先生1981年加入佳能宇都宫工厂,37年来一直致力于光学镜片加工工艺。他拥有非常细腻的手感。手工制作研磨工具可以做到0.1μm的误差。


制造研磨工具的母工具


斋藤先生说目前抛光高精度镜片并不一定要他出马。他现在的主要工作是培养新人,参与研发新的镜头生产,以及一些工具的设计制造。





2017年10月17日,佳能宣布达成两项重要里程碑。2017年9月20日,EOS系列可换镜相机累计产量达到9000万台;2017年10月12日,可交换式EF系列镜头累计产量达到1.3亿支。


佳能宇都宫工厂见证了佳能光学的辉煌。虽然只参观了3个点,但整个过程非常充实,从不同侧面说明了佳能光学不断致力于生产技术的革新,从打磨到组装,无论设计开发还是生产或是工艺流程,力求实现“脱离人手的高精度”。


镜头包括复杂的光学、机械及电子结构,匠人的调整可以保证每个镜头的精度,佳能十分注重技术的传承,使匠人的精神永续不断。希望今后还能有机会再次拜访这里。


EF系列可交换式镜头

美图欣赏

善念修情
梨园情
庭院深处
尼康Z6人像测试片
金色年华
弄影系 追逐光与影