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新镜头的设计从何而来?(下)

 2016_平凡 2016-08-04




光学人生,从这里开始!


  你必须非常仔细,才能在现代长焦镜头中看到远摄设计:正/负镜组总是被分成多个镜片,有时还有附加镜片来帮助控制像差(由于使用了现代镜头镀膜技术,镜片不一定会粘合在一起)。通常,在后镜组附近还会有一组用于消除枕形畸变的镜组。不过,长焦镜头的基本结构,仍然保留着正镜组在前,后镜组在后的设计。

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支长焦镜头的结构图都显示出了远摄结构,并大量使用低色散镜片

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  多数135mm或更长焦距的单反镜头都采用远摄设计。在体积非常小巧的镜头中也能大量见到远摄设计(别忘了远摄的定义就是镜头长度小于其焦距)。老式柯达磁盘相机上的小镜头(44mmf/2.8)就采用远摄设计,使得镜头体积能够做到非常小。尽管远摄设计有很多天生的光学缺陷,不过现代光学技术已经能够很好地克服这些问题。如今很多超长焦镜头都跻身于高质量镜头的行列。 Vn?|\3KY
倒置远摄(retrofocus)镜头o_cAelI[!
  显而易见的,倒置远摄镜头的设计,正是将远摄设计颠倒过来:前镜组采用负镜组,后镜组为正镜组。Dw.Pv)'$
  优点:允许焦距比后焦点距离更短。换句话说,后焦点距离大于20mm的镜头也可以做到20mm焦距(单反相机必备,无反光镜相机的后焦点可以小于20mm)。这种设计还提供了相对的大光圈和广视角,拥有最小的暗角,且很少有球面像差。 UD^=@?^7
  缺点:像场弯曲非常常见。焦点的远近会导致像差的变化,所以通常一支在无限远成像不错的镜头在近距离拍摄的质量就会变差,反之亦然。广角镜头有多种像差,而且非常严重(彗差和横向色差,还有畸变),需要大量镜片进行校正。畸变通常很难校正(有人认为鱼眼镜头就是不校正畸变的大视角倒置远摄镜头)。8$38>cGY^
  倒置远摄结构通常也会导致镜头体积增加。你是否注意到50mm镜头通常都是最小的,而长焦和广角镜头体积都很大?如果你见过旁轴镜头,通常就没有这个现象,因为没有那么大的后焦点距离。jm,:jkr
  历史:倒置远摄镜头最早出现在上世纪20年代,用于电影行业:彩色摄影机需要后焦点距离很长的镜头,因为镜头后方的棱镜占用了大量空间。Angenieux“retrofocus”注册为商标,所以当时的其他制造商只能使用倒置远摄reversetelephoto)一词来描述这种镜头。今天“Retrofocus”倒置远摄可以互换使用。


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早期Angenieux镜头设计

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  当单反相机在上世纪30年代首次登场亮相时,并没有广角镜头可用。因为由于反光镜的存在,镜头后焦点距离必须非常长。Exacta(第一台单反相机)和其他早期单反只能使用40mm以上镜头,直到摄影行业引入了倒置远摄镜头设计。


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单反相机

  今天任何焦距在40mm以下的单反镜头都一定是倒置远摄设计。负向前镜组的镜片几乎总是做成新月形状,而且通常不止一片(新月形有助于校正像场弯曲和中心像差)。类似的,后镜组通常也使用多枚正向镜片,中间则是其他镜片和镜组。几乎所有现代高质量倒置远摄镜头至少有一枚非球面镜片,广角和大光圈镜头通常拥有多枚。


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  你可以从下面3个镜头的结构图中看到,焦距越短,倒置远摄的结构就越复杂:



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从左到右分别是35mmf/1.424mmf/1.414mmf/2.8镜头

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  复杂镜片和镜组不仅是成像的需要,更是校正这种结构天生光学缺陷的需要。例如,一支倒置远摄镜头在对近距离物体对焦时,可能会出现很严重的散光,但在对远处对焦时慧差又取而代之等等。


  复杂的设计和镜片数量解释了为何一支24mmf/1.4镜头通常都很贵,而且体积比50mmf/1.4更大。看下面蔡司21mmf/2.8镜头的剖面图。注意镜头内部不仅有复杂的镜片,还有大量复杂的金属结构用来固定镜片。你还可以看到这种结构中镜片有多么容易偏离光轴或倾斜。这就是为什么超广角镜头的分辨率有时会有从一边到另一边的微妙变化的原因。



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  一个有趣的事实是,为了提高分辨率,广角镜头通常需要在畸变上做出让步。因此,高锐度广角镜头(例如蔡司21mm和尼康24mm)上出现的畸变可能是设计师有意为之,而不是设计缺陷。d ZxrIWx
CookeTriplet
镜头


CookeTriplet
镜头

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  最后出场的,是最重要的镜头,比其他结构衍生出了更多镜头的CookeTriplet镜头。Triplet很可能是历史上最重要的设计——不仅是因为它在20世纪上半叶衍生出了大量其他镜头,还因为在我们今天使用的多数镜头中都能发现它的身影。 y
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  优点:简单,易于制造且廉价。对所有像差都有不错的校正。~) vz`b
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  缺点:未经修改时光圈难以超过f/2.8,或视角超过60度(相当于135相机的35mm焦距)。主要镜片需要非常精确的调整,且制造宽容度很小。


  历史:DennisTaylor19世纪90年代设计了Triplet镜头。TaylorHobson公司和其他制造商都生产过这种镜头(至于为什么它取名为CookeTriplet,而不是TaylorTriplet,其中有一个很长的故事)。Triplet是能够校正7种主要像差的最简单的设计。历年来超过80项镜头专利中都引用了Triplet镜头设计的变种。dd!Q[]$ }
  很多著名的高素质镜头都是Triplet的变种。将原始Triplet的前后镜片分开以增大光圈,诞生了蔡司Sonnar和徕兹Elmar镜头群。大多数原始的徕卡镜头都是从Triplet演化的。而且如果回头再看看Exacta相机的剖视图,你会发现上面装着一支50mmTriplet镜头。Triplet在家用摄像机、箱式相机以及多数小型定焦镜头相机上都有广泛应用。直到今日,有些50150mm镜头仍然保留着Triplet的基本设计,尽管它们的前后镜片通常经过改造。7X/KQ97
  尽管在20世纪中的大部分时间里都是主力镜头,在单反相机上经典的Triplet已经被普遍地被其他类型镜头取代了。不过,除了一些优秀镜头外,Triplet还衍生了大量廉价镜头。一开始DennisTaylor就意识到他的设计的优点之一就是很容易制造出不同焦距的镜头。将中间镜组向前或后移动,就可以改变镜头视角。这个特点使得Triplet最终发展出了我们今天使用的变焦镜头。



移动中间镜组可以改变镜头取景视角


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变焦镜头lBNB8c0e'{
  移动中间镜组改变镜头焦距是一回事,制造出摄影师能够使用的变焦镜头完全是另外一回事。尽管在一份1901年的Triplet镜头专利中记录了可移动的中间镜组达到变焦效果的技术,实际上这支镜头每次变焦之后都需要重新对焦,而且画质也很一般。D[<~^r;*>
  上世纪30年代,TylorHobson公司推出了一款电影镜头,将负向前镜组(倒置远摄)和负向后镜组(远摄)结合到一起,中间则放入了双高斯镜头(就像Triplet的中间镜组)。通过前后移动中间镜组,这支Varo镜头可以实现从40mm120mm的变焦。 eOs4c


Varo镜头是一个装在铝桶中的庞然大物,重达3公斤。对电影行业来说这不是问题,但摄影师没法使用这种镜头。直到50年代,福伦达才推出第一支单反相机变焦镜头,Zoomar36-82mm



第一支单反变焦镜头,大约诞生于1959

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  每一支变焦镜头都可以追溯到可以移动中间镜组的Triplet镜头,但是如果你看到这些变焦镜头的结构图,却很难从中看出Triplet结构。因为变焦镜头必须结合多种不同镜头类型的特点才能实现。不过如果你仔细看,还是能发现它们的。我们给下面的Zoomar镜头结构图加上颜色,来显示它们:

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福伦达Zoomar镜头结构图

Zoomar中有两片正向镜组(蓝色)中间夹着一个负向镜组(绿色):原始Triplet的变种。当变焦时,两个正镜组改变与中间负镜组的距离,从而改变焦距。这支镜头中同样还有倒置远摄的设计——负向的前镜组和正向后镜组(黄色)。今天的多数标准变焦镜头都保持着这种结构。gwN y]!
  看现代变焦镜头的结构,已经很难看出它们的祖先,但有时还是可以看到的。广角变焦镜头最容易看:因为它们必须使用倒置远摄结构。事实上,大部分广角变焦镜头度有着负向前镜组和正向后镜组,正是倒置远摄的设计。它们同时还有着可以改变距离的前、中、后镜组来实现变焦。


从左到右:尼康14-24mm,适马8-16mm,腾龙16-35mm

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  采用倒置远摄设计,广角变焦镜头也容易出现畸变和其他像差,所以也会采用多组镜片和非球面镜片进行校正。r,cK#!<%
  纯粹的远摄变焦镜头同样保留着祖先的印记,拥有正向前镜组和负向后镜组,但它们同样也有类似Triplet的可移动结构。和其他长焦镜头一样,它们会采用低色散镜片和双面凹透镜。


从左到右:腾龙200-500mm,适马120-300mm,尼康80-400mm

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  标准变焦镜头,比如24-70mm有着轻微的倒置远摄设计。更好的镜头中会同时采用非球面镜片和低色散镜片。

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从左到右:尼康24-70mm,佳能24-70mm

  对于大变焦比镜头(那些我们在公开场合不屑一顾但在旅游中会带上的10x变焦镜头),只看结构图是很难看出其中蕴含的基础设计的。它们通常像远摄镜头一样有着正向前镜头,像倒置远摄镜头一样有着正向后镜组,中间则有一大堆镜组来校正各种畸变和像差,来满足所有人的所有需要。这就是为什么直到电脑设计时代才出现大变焦比镜头的原因之一。其复杂性远远超过人工设计的能力。



从左到右:尼康28-300mm,腾龙18-270mm,佳能18-200mm

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  尽管从结构图上很难看出,但如果深入那些设计镜头的电脑程序,仍然能看到那些原始镜头的设计原则。这就是为什么你的变焦镜头会在广角端出现桶形畸变,而在长焦端出现枕形畸变的原因。这就是为什么每一支变焦镜头都在某个焦距上最锐利,而在其他焦段锐度下降的原因。
  这还解释了为何所有制造商的变焦镜头都呈现出类似结构。1435mm范围内的广角镜头(14-24mm16-35mm之类)都是倒置远摄设计。70-200mm和其他长焦镜头都采用远摄设计。24-70mm段的标准变焦都有轻微的倒置远摄的影子。 [1]9H,Ec,.


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