杂谈｜聊聊菲涅尔镜片和搭载此技术的镜头

最近一些轻量化的新品长焦入魔非常热闹，据传言称它们并没有使用菲涅尔镜片就完成了轻量化。今天我们就来和大家聊聊菲涅尔镜片和使用菲涅尔镜片的一些产品，尽可能的聊清聊透这个话题。

什么是菲涅尔镜片？

在摄影镜头语境中，大家常说的"菲涅尔镜片"实际上指的是衍射光学元件（Diffractive Optical Element）——以佳能的 DO（Diffractive Optics）和尼康的 PF（Phase Fresnel，菲涅尔相位）镜片为代表。它不同于普通照明、聚光用的螺纹菲涅尔透镜，而是利用光线的衍射现象来校正色差，并实现镜头的小型轻量化。

菲涅尔镜片是在玻璃镜片表面精密制成的衍射光栅以微米（1微米等于百万分之一米）的精度互相贴近形成的层叠结构。

传统摄影镜头中，光线穿过镜片时会发生折射，且波长越短（蓝光）折射率越大，这导致了轴向色差（紫边）。而衍射现象通常与折射相反——DO/PF镜片对波长越长的光线（红光）折射率更大，色散顺序恰好与普通镜片相反 。因此组合使用DO/PF镜片与一般光学镜片可以抵消色像差，实现良好的补偿效果，效果甚至可以比萤石更好。

有哪些使用了菲涅尔镜片的产品？

2001年，全球首款采用衍射光学元件的摄影镜头佳能EF 400mm f/4 DO IS USM诞生，俗称“大绿”。这支镜头使用了一组菲涅尔镜片和一片萤石镜片，所以它的售价并没有比同时代的400mm F2.8便宜多少，只是重量几乎减半。

2004年，第二款DO镜头佳能EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM发布，俗称“小绿”或者“绿豆”。这支镜头搭载了第二代DO镜片技术，用三层结构减轻眩光的发生。不过这支镜头虽然足够短，但既不够轻也不便宜，画质也比较普通。

2014年，佳能再度改进DO镜片工艺，在EF 400mm f/4 DO IS II USM搭载了第三代的无缝双层衍射光学元件。并取消了萤石镜片，转而使用了一片UD低色散镜片和一片研磨非球面镜片。所以这支镜头的价格依然非常高，远非普通消费者能承受的。

2015年尼康顺利攻克菲涅尔镜片加工工艺，推出了尼康首款PF镜头AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR。它只有755克重，相比于未搭载PF镜头的上一代产品轻约545g，缩短约75mm，至今还是全球最轻的300mm f/4定焦。这支镜头我当时用过一阵子，非常小巧轻便，画质还非常好。

2018年尼康再接再厉，推出只有1460克的AF-S NIKKOR 500mm f/5.6E PF ED VR。虽然它已经不是同规格最轻的500mm定焦了，但至今口碑极佳，是目前打鸟爱好者口耳相传的拍摄利器。

2020年佳能推出RF 600mm F11 IS STM和RF 800mm F11 IS STM，采用各种轻量化材料，主打入门长焦拍摄，价格非常亲民，但画质依然相当出色。这两支定焦也是如今性价比最高的使用菲涅尔镜片的产品。

2022年23年，尼康先后推出NIKKOR Z 800mm f/6.3 VR S和NIKKOR Z 600mm f/6.3 VR S。虽然产品型号上不再标注PF但还是使用了PF镜片且进行了大幅度的减重。尤其是NIKKOR Z 800mm f/6.3 VR S，它不仅体积重量比早2个月发布的对家800mm F5.6明显更小更轻，价格还只有对方的1/3，光圈值差的没太多，属于性价比拉满的选择。

由于至今为止只有佳能和尼康推出过带菲涅尔镜片的产品，所以截至目前就只有这9款产品。

菲涅尔镜片有哪些优缺点？

如果说菲涅尔镜片能做到萤石级别的降低色散效果，同时还可以降低镜头尺寸，那长焦镜头应该全用上菲涅尔镜片了。而现实则是菲涅尔镜片在长焦镜头中并不太常出现，自然是因为菲涅尔镜片有其自身的短板。

首先菲涅尔镜片需要加工出微米级别的衍射光栅，对加工精度就是极大的考验，这涉及到良品率和对画质损伤两个维度的影响。良品率不够高则加工成本会显著增加，画质损伤则对于专业用户来说宁可重一点也不愿意妥协画质。比如佳能最早的DO绿圈镜头，虽然体积是降低了，但价格还是相对偏高，同时画质比较普通，真正的用户不多。

微单时代佳能实现了利用了佳能镜头中复合非球面镜片技术的储备，由球面玻璃以及在玻璃上由特殊树脂塑模成型的衍射光栅形成菲涅尔镜片，显著的降低了制造成本。所以RF 600mm F11 IS STM和RF 800mm F11 IS STM才能卖到如今这个价格。

其次使用菲涅尔镜片容易出现环状衍射眩光（Ring Flare），这是该技术最著名的副作用。但在实际使用中，无论哪支镜头都没有出现如下图那样明显的环状衍射眩光。

佳能已开发了3种多层衍射光学元件。将其用于变焦镜头时为抑制多余的衍射光线，开发了第二代的3层结构。2014年发售的EF 400mm f/4 DO II USM采用了第三代的无缝双层结构。通过去除两层衍射光栅间的空气层，减少因空气导致的衍射率降低，可使更多光线发生衍射。在画面内有强光源的情况下也能有效抑制眩光。下图就是佳能EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM的实拍眩光，并没有明显的环状衍射眩光。

在光比足够大的情况下，点光源会出现下图这样的衍射现象，但一般只有在夜景+汽车大灯/电焊时才会出现。

另外焦外也会出现纹理/中心亮点，但我自己使用下来感觉不明显，尤其是尼康的PF镜头都没有这个问题。

说完缺点说优点，那就是能够显著降低镜头的体积重量，并且可以在不使用特殊镜片的情况下消除色散。1片菲涅尔镜片镜片就能达到萤石镜片和非球面镜片的补偿效果（佳能官方表述）。只要菲涅尔镜片的加工成本能降下来，那么使用它就既能降低体积重量，还能降低售价。

菲涅尔镜片是必需品么？

既然菲涅尔镜片可以让长焦镜头实现小型化，那么小型化的长焦镜头必须使用菲涅尔镜片么？答案是否定的。

最经典的案例就是佳能初代DO镜头EF 400mm f/4 DO IS II USM，比同时代F2.8版本少一档光圈的前提下重量从3850克降低到了2100克，减重接近50%。但在现代光学技术加持下的尼康Z 400mm F4.5 f/4.5 VR S，不使用菲涅尔镜片且光圈值差不多的的前提下，重量只有1160克，又减重接近50%。要知道尼康本身也拥有菲涅尔镜片的加工技术，且技术非常成熟，但尼康却没有在Z 400mm F4.5 f/4.5 VR S上使用此技术。

这是因为除了使用菲涅尔镜片外，将将大口径镜片后移减小口径、适量加入高折射率镜片这类光学结构上的优化方法，效果同样非常显著。这些轻量化的方法，副作用更小，并且无需额外的研发投入到制造菲涅尔镜片的工艺研究上。

所以佳能在2014年后再无绿圈镜头，2020年发布的RF 600mm F11 IS STM和RF 800mm F11 IS STM使用菲涅尔镜片核心需求还是降低价格，攻击小画幅系统的基本盘。后续发布的新品如果没有菲涅尔镜片，也非常正常且合理。