为什么镜头镀膜在摄影中如此重要

2026-01-17 04:04:32 世界杯冠军最多

近年来，一些镜头设计师更新了镜头，采用了新的镀膜。在测试这类镜头时，评测者普遍认为新的镜头镀膜能显著提升画质（尤其是对比度和眩光），但却从未真正解释过镜头镀膜的工作原理。这正是本文的目的所在。

一组带有防反射涂层的镜头。摄影：Mengliu Di

镜头镀膜的起源

历史上，人们引入镀膜是为了减少光学系统中的光损失。事实上，每当光从一种光学介质传输到另一种光学介质时，都会由于反射现象而损失一部分能量。这种反射现象自然发生在两种材料之间的任何表面上，无论是河面、玻璃还是镜子。唯一的区别在于反射光量。对于玻璃，通常认为96%的光会被透射，4%会被反射。

这些数字背后的等式是：

R为反射能量，n 1为第一种介质的折射率（空气为 1.0），n 2为第二种介质（本例中为玻璃）的折射率。玻璃的折射率通常在 1.4 到 1.8 之间。4% 的值源自典型的 1.5 折射率。

这种能量损失乍一看似乎微不足道。然而，在一个给定的镜头系统内，它会在每个镜头表面累积起来。定焦镜头通常包含7到12个元件（这意味着大约15到20个镜头表面，因为每个镜头元件都具有空气/玻璃和玻璃/空气界面），而现代变焦镜头设计则包含20多个元件（这意味着大约40个镜头表面）。

这种典型的定焦镜头只能让一半的光线通过，而变焦镜头则只能透射不到 20% 的入射光线。

首个镜头镀膜技术可以追溯到英国数学家兼科学家瑞利勋爵（约翰·威廉·斯特拉特，第三代瑞利男爵）。1886年，他惊讶地发现，旧的、失去光泽的玻璃比新的、未失去光泽的玻璃透光率更高。瑞利勋爵发现，空气/光泽层和光泽层/玻璃这两个连续的界面比单个空气/玻璃界面透光率更高。这一发现催生了多项专利，镜头镀膜技术也逐渐得到改进。

1886 年，瑞利勋爵 Lord Rayleigh对光在玻璃中的传输做出了突破性的发现。

对于摄影师来说，20世纪30年代发生了重大改进。1935年，蔡司工程师亚历山大·斯马库拉（Alexander Smakula）获得了首个采用多层化学镀膜的专利。这种设计（我们将在后面解释）显著提升了镜头镀膜的性能，并带来了前所未有的光学性能。

镜头镀膜在提高透光率方面有多有效？

镜头镀膜通常会将透光率从约 96% 提升至 99.7% 以上。这意味着典型的定焦镜头现在可以透光率达到 95%（高于 50%），而我们的变焦镜头可以透光率达到 88%（高于 20%）。

显然，镜头镀膜极大地提升了低光摄影的体验。随着现代摄影镜头中光学镜片数量的不断增加，这种改进也愈发引人注目。如果说摄影早期通常使用双合透镜，那么如今计算机设计的镜头通常拥有超过15片的镜片。因此，对于镜头设计师来说，透光率变得越来越重要。

低对比度和镜头眩光的问题

在镜头上使用镀膜还有其他好处。未透射的能量会在镜头内来回反射数次，最终叠加到最终图像中。在最佳情况下，暗区会被漫射光照亮，导致动态范围和对比度降低。在最坏情况下，场景中的强光源也会在图像内部产生亮点，即所谓的眩光。

2016年，镜头制造商蔡司进行了一项有趣的实验，以证明镜头镀膜的重要性。制造商生产了两支完全相同的镜头，即21mm f/2.8 Distagon，一支带有光学镀膜，另一支没有。

左图为未镀膜的蔡司 Distagon 21mm f2.8 ZE 镜头，右图为T*镀膜镜头。图片由 Andreas Bogenschütz 拍摄，蔡司提供。

以下是两款镜头在相同条件下拍摄的一些照片。总体而言，使用未镀膜的镜头拍摄的照片画质大幅下降。

镜头镀膜后（上）和未镀膜后（下）的照片。照片由蔡司提供。

镜头镀膜后（上）和未镀膜后（下）的照片。照片由蔡司提供。

镜头镀膜设计的物理学

涂层设计可以基于各种物理原理。其中包括基于折射率的方法、GRIN材料、偏振、衍射理论，甚至超材料……

从历史上看，最简单的抗反射涂层形式让我们回到了透射方程。似乎可以通过添加折射率低于玻璃折射率（例如 1.5）的介质（例如 1.3）来提高总透射率。

采用上述简单的涂层，可以将透光率从 96% 提高到 97.8%。然而，这种单层涂层距离 0% 的反射率还很远。

为了提升镀膜性能，镜片设计师倾向于使用衍射理论。利用光的波动性，可以选择一层薄薄的材料来完美抵消反射。厚度为波长四分之一的镀膜意味着，与在增透膜上反射的波相比，在玻璃上反射的波将多传播半个波长（入射光波长为四分之一波长，出射光波长为四分之一波长）。因此，两束光的相位相反，它们的和为零。

这种理想情况需要注意几点。首先，光通常存在于光谱中，而不是单一波长（自然界中并不存在单一波长，你可以在人造激光源中找到一些）。对于可见光，波长范围从 400nm（蓝光）到 800nm（红光）。这意味着消除反射所需的厚度会因颜色而异。这也可能意味着并非所有颜色都能均匀透射，这实际上意味着镜头镀膜会引入色偏。

其次，我们的计算假设光线垂直于玻璃表面。然而，在实际情况下，光线可能会以较大的角度照射到透镜上。一旦引入角度，抗反射涂层内的光路就会增加，从而导致透射率降低。

为了解决这些问题，最好的方案是增加多层镀膜。常见的结构是1/4波长镀膜和1/2波长镀膜交替。通常情况下，镜片通常有7层镀膜。

镜头镀膜是如何大规模生产的？

可见光的波长约为500纳米，而镜片的镀膜厚度通常为100纳米至250纳米。换个角度来看，人类头发的平均厚度约为可见光的1000倍。

该涂层在整个玻璃上也应该是均匀的，因此涂层厚度仅会变化几个百分点。此步骤必须在玻璃切割并抛光至最终形状后才能进行，否则抛光过程会去除涂层。

现代工业过程采用气相沉积技术。该技术通常在真空室中进行，化学物质蒸发。

结论

镜头镀膜的科学已有近百年历史。然而，该课题仍在积极研究中。最近备受关注的超材料技术或许能为现有的镜头镀膜带来改进。

鉴于镜头设计日益复杂，镜头镀膜的任何进步都是最好的，因为它还可以提高透光率和图像对比度。

关于作者：Timothee Cognard 是一位居住在法国巴黎的光学专家和摄影师。

图片来源：标题照片来自Depositphotos