一些镜头的基本知识
作者：疯疯 发表在www.ssbbcc.com 于2009年06月13日
要得到一些，就必须付出一些；“没有免费的午餐”。镜头的光学设计也是这样。
最简单的摄影不需要镜头，针孔就可以，它的光圈一般是f/128或更小。
单镜片镜头在早期的相机使用，成像可以比针孔锐利，光圈也更大，基本可以手持拍摄。工作光圈大概在f/12左右。由于当时使用大底片，效果可以接收。
从双镜片再到三镜片，镜头的光圈更大，成像也相当锐利，Cooke Triplet是目前已知的最好设计。如果是四片镜片，成像已经相当好，比如Zeiss Tessar（天塞），四片三组结构，其中两片粘在一起形成一组。四片结构的天塞镜头唯一的问题是光圈不能做得太大，不然像质会下降。对于35毫米相机，天塞结构的顶限是f/2.8，即使使用当前最好的光学玻璃。要光圈更大，就要更多镜片。
速度（即最大光圈）不是唯一的问题。视角越大，需要的镜片越多。一支低速小视角镜头，例如Leitz 560mm f/6.8 Telyt，只用了两片镜片。50mm f/1.4一般需要6或7片，21mm f/4.5 Zeiss Biogon使用了8片。更多的镜片使镜头更大更重也更贵。
到此为止，我们只是考虑了制造一个锐利、快速或广角的镜头需要的镜片数目，但还有另一个问题要担心，就是镜头的实际尺寸。上面560mm Telyt镜头中的两片镜片当聚焦在无限远时，必须距离胶片560mm，因此镜头有60厘米长！相反的，21mm Biogon全长为45毫米，当聚焦无限远时，镜头的光心必须距离胶片21毫米，这21毫米基本被镜片占据，使最后一片镜片离胶片只有5毫米。这就是为什么Biogon不能用于单反相机，因为没有给反光镜的空间！
1、远摄和倒置远摄结构（Telephoto and Reverse-Telephoto)
解决上述两个问题的办法惊人的相似。为了缩短长焦镜头的长度，一组新的镜片－－称为“远摄组”－－被放在主镜组的后面。这就是一个远摄镜头（telephoto）和一个长焦镜头（long-focus）的区别。
另一方面，为了使广角镜头后面有足够空间，一组新镜片加在了主镜组的前面，被称为“倒置远摄”组，因为产生的效果和远摄镜头刚好相反。
新加入的镜片组只是改变后组与胶片的距离，并不能提高镜头的锐度，甚至会产生负作用。一支普通长焦镜头可以比远摄镜头更锐利，一支普通广角镜头也可能比“倒置远摄”结构的镜头更锐利。因此有些长焦和广角镜头仍在生产，而广角镜头用在单反机身上时必须锁起反光镜，对焦要靠另外的取景器。有些成像质量相当好，比如Zeiss和Nikon的21mm，以及Canon的19mm。不过远摄镜头和“倒置远摄”镜头的方便性是毋庸置疑的。
2、变焦镜头
上面讨论的都是定焦镜头。如果镜头使用的透镜数目够多，透镜的相对位置又可以移动，就可以产生不同的焦距，也就是变焦镜头。到了这一步，透镜总数通常都是10多片，但并不是所有透镜都为了提高镜头的锐度。细心的设计，使用高级光学玻璃，可以使变焦镜头的成像相当好，但他们仍比不上最好的定焦镜头。
为达到一定水平的锐度，变焦范围越大，需要的透镜越多。对变焦范围的衡量，通常使用变焦比。一般焦距越长，变焦比可以越大；而广角端焦距越短，就越难提供大变焦比。
大光圈需要更多，广角需要更多透镜，变焦需要更多透镜，应此变焦镜头通常光圈较小并不奇怪。大部分变焦镜头在f/4左右，可能有些较大到f/3.5左右，有些较小只有f/4.5左右，不过f/4是一个较好的平均值。大光圈变焦头不成比例的巨大、沉重，且更昂贵：从f/4到f/2.8只有一档，但你可能要多花三倍的钱。问题不在广角端，而在于长焦端。一支200mm f/2.8已经很大很贵，而一支70-210mm f/2.8将更大更贵。
另一条路是选择变光圈变焦镜头。这种镜头的结构比恒定光圈变焦镜头简单，但长焦端的光圈会比较小，而且中间焦段的实际光圈不容易确定，不过使用通镜测光的话问题不大。
3、计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计使现代的镜头更优秀，即使便宜的变焦头效果也可以接受。使用计算机，设计、测试和修改可以在几小时或几天内完成，而以前需要几星期甚至几个月。
然而，CAD并不总是为了制造可能的最锐利的镜头。比如较便宜的镜头，通常在锐度和成本之间进行折衷。聪明的程序仅使用廉价的光学玻璃、小曲率的曲面和球面透镜就可以设计出不错的镜头。但为了得到最佳成像，必须使用特殊玻璃、大曲率和非球面等更昂贵的技术。
4.1、特殊玻璃
由最昂贵的光学玻璃制成的透镜，象纯金一样，是按照重量计价的。设计师寻找的通常是高折射率低色散玻璃。色散使不同颜色（频率）的光线聚于不同的焦平面，这显然影响了锐度。将所有颜色的光线聚在同一焦平面，就是镜头光学设计设计中的“色差校正”。能做到这样的镜头被称为“achromats”或“achromatics”，意为“无色”。
实际上，“无色”镜头只是把红光和蓝光聚于同一平面，还有很大的校正空间。而“apochromat”（“away from colour”）可以把红、绿、蓝光聚于同一焦点，是成像锐度显著提高，这也是为什么很多镜头广告在宣传“Apo”。由于对于摄影镜头的消色差还没有严格的定义，因此很难不怀疑有些镜头的消色差比其他更好。类似的，尼康的“ED”（极低色散）显然是指ED镜头中使用的特殊玻璃。但玻璃怎样才变得特殊呢？
很少镜头使用玻璃以外的材料。实际上，萤石由于独特的光学性质被使用。然而，萤石镜片非常贵，也非常脆弱，一此极短的冲击就能令它破碎，并且如果不与空气隔绝的话，它会逐渐分解。如今，萤石已被特殊玻璃取代（除了在不计费用的军用镜头中）。
树脂不适于制造高级镜头，通常用于廉价镜头。但是Tamron曾推出的将树脂覆盖在玻璃上的“混和非球面”镜头却很特别。
4.2、大曲率
镜片的曲率约大，制造成本越高。大曲率的优势在于，与高折射率低色散玻璃配合时，可以代替两或三片普通透镜。对于一些超广角镜头和变焦头，曲率非常大的曲面是最好的设计。
4.3、非球面
绝大多数镜头使用的只是“普通”球面的透镜。虽然研磨非球面也是可能的，如抛物面或双曲面，但更昂贵。非球面的使用也可以减少透镜的总数：一个非球面透镜可以达到两个球面透镜的效果，或多个非球面镜可以达到球面镜不能达到的效果。
任何时候，非球面镜头都是屈指可数的，他们通常是同样的球面镜头价格的两到三倍。通常只有大光圈镜头使用非球面镜，并且通常只有一个镜片使用非球面。
随着镜头设计和玻璃制造的提高，非球面变的越来越不必要。然而，Tamron的“混和非球面”镜头提供了很好的校正，又避免了树脂的缺点，也许是非球面在为了存在的唯一方式。
〖现在非球面镜好象使用还是很多。作者十年前的观点有其局限性。随着技术的发展，非球面镜的制造成本应该也降低了吧？〗
5、反差和透镜数量
你现在可能认为，使用足够的透镜，正确的种类和正确的形状，就可以制造几乎任何镜头。大体上来说，就是这样。但一个不能逃避的事实是，更多的透镜，意味着更低的反差。虽然多层镀膜可以大幅度减小镜片表面的反光，但还无法完全消除，这些反射的杂光降低了反差。
早期无镀膜镜头在每个镜片表面可以反射百分之五到十的光线，这就是为什么要尽量减少镜片空气接触面的数量。比如，Zeiss 50mm f/1.5 Sonnar只有六个镜片空气接触面，而Leitz 50mm f/1.5 Summarit有十个。Summarit分辨率更高；但Sonnar的反差更大，以至看起来更锐利。
如今镜片表面的反光率只有大概百分之1.5到0.01。廉价镜头的镀膜效果也较差，而昂贵镜头虽然有较多镜片，但镀膜质量也更高，使得反差更高。
镀膜使用了光的“干涉”原理，镀膜的厚度必须是光波长的四分之一。显然，一层镀膜只能减弱一种波长（颜色）光线的反射。多层镀膜可以减弱多种波长光线的反射。不管其他厂商怎么说，Leitz看起来应该是最早使用多层镀膜的厂家，在五十年代晚期。
镀膜和多层镀膜似乎使遮光罩失去了以往的重要性，但有些情况下好的遮光罩仍然可以产生惊人的效果。理想的遮光罩应该适于底片的长宽比，并且可调长度。这在大中幅设备中很普遍，但在35毫米系统中几乎没有。有些人把中幅机的遮光罩用在35毫米镜头上。
〖在可能的情况下，尽量使用遮光罩，有益无害。〗
6、制造工艺
无论你的镜头设计的多么好，理论上能到达多么高的水平，如果制造不当，一起都前功尽弃。精确的镜头到胶片距离是最明显，也是最容易做到的。还有，镜头的组装必须达到不可想象的精确；所有镜片的轴心都必须完全吻合；每一个镜片都必须精确的固定在镜桶上。固定必须非常牢固，不然镜头掉落或受到碰撞时就会改变结构。一支昂贵的镜头将得到非常精密的组装，以及在每一步的测试和试验。一支廉价镜头可能轴线没有完全对齐；或者虽然对齐了，但在日常使用中的碰撞就可能倒置镜片位移。（也就是不抗造。一分钱一分货的道理。）
对焦机构必须精确和顺畅，并且耐用。光圈和叶片，以及相连接的机构也必须顺滑。所有螺丝和压环必须拧紧，并且保持不变。廉价镜头比昂贵的镜头更容易松动，虽然很大程度取决于你怎样保养镜头。比如说，骑摩托长途旅行，肯定对镜头不利。
〖好镜头不只是成像优秀，也要耐用，要经得起岁月的考验。〗
7、材料
与使用方式比起来，镜头卡口使用的材质并不太重要。即使塑料也没什么不可以，因为那毕竟不是轴承表面，并且如果它的强度足够应付日常的积压和拉伸。轻金属合金可以替代黄铜，如果它们做得当的表面处理（通常是电镀），但钢（除了不锈钢）应该谨慎使用，如果有腐蚀的可能。对于接触面，特别是卡口，较硬的材质如不锈钢或厚镀层的黄铜，显然要比裸露的黄铜或轻金属合金更合适。
一个常识是，耐用意味着重量，虽然有很多中方法可以不使用黄铜制造耐用的镜头。一个真正优质的镜头如果正常使用，可以用上几十年，即使是专业人士的粗暴使用。一个廉价镜头，虽然刚开始还不错，但无法保持那么久。
〖让时间验证一切吧！〗
8、分辨率
分辨率，即一个镜头可以表现的细节的多少，显然非常重要，并且基于平均的视力和图片尺寸，很容易设定锐度的标准。正常视力的人可以分辨约一分的弧度，或大约相当于在3米的距离看到白背景上的黑头发。使用传统摄影术语来讲，约等于在25厘米的距离观看照片上的8线对/毫米。因此，从扩印照片时的放大率就可以大致计算出底片上需要多大的分辨率，也就是用放大率乘以8 lp/mm（线对/毫米）。比如4×6英寸照片是4倍放大率，所以在底片上需要4×8=32 lp/mm的分辨率；6倍放大率（即8×10英寸或20×25厘米照片）就需要48 lp/mm。
〈“丢失”与“多余”分辨率〉
在实际中，我们需要底片上的分辨率比上面的计算结果要稍微高一点，因为放大过程中要损失一些锐度；并且放大率越大，需要的“多余”的分辨率就越多。因此，如果理论计算需要32 lp/mm，那么实际上有35-40 lp/mm就应该可以；但如果理论上需要底片上有64 lp/mm，实际上可能需要80 lp/mm。很大程度取决于放大镜头，以及放大时对焦的精确；而对于扫描底片，扫描仪类似于一个完美的放大机，因此在过程中损失的分辨率较少。胶片本身也很重要，慢速、细颗粒的胶片比高速、粗颗粒胶片的分辨能力更强。
〈衍射限制的分辨率〉
然而，分辨率在理论上还受到绝对的制约。撇开深奥的理论不说，一个明显的定律就是，衍射对分辨率的限制，以lp/mm为单位，在百分之五十的反差，分辨率的顶限是1000/n，这里n是光圈值。因此，在f/2衍射限制的分辨率是500 lp/mm；在f/4为250 lp/mm；而f/8就限制在125 lp/mm。实际上，100 lp/mm或稍微高一点，是普通用途胶片可以记录的最高分辨率，即使是用来获得最高的锐度。1000/n定律也解释了为什么35毫米相机的镜头很少用小于f/16的光圈，因为在f/16分辨率已经限制在62.5 lp/mm。在f/22时，降低到45 lp/mm;而f/32时只有31 lp/mm。
另一方面，我们可能太注重这些数据了。其实45 lp/mm已经给予6×9英寸照片可以接受的效果，虽然再小的分辨率就可以看出差别。并且1000/n从理论上来讲可能被认为太苛刻，即使1500/n在某些情况下被认为是刚刚合适的标准。
〈分辨率与观看距离〉
为了制作一张16×20英寸（40×50厘米）的照片，一张35毫米底片需要放大约16倍，但128 lp/mm在底片上却是不可能的。然而，通常我们不会在25厘米的距离观看这么大的一张照片，很可能是在至少两倍的距离上观看。这使得分辨率的标准随着观看距离而改变，因此两倍的观看距离将使需要的分辨率减少一半，即64 lp/mm。这里很容易看出，为什么35毫米相机可以如此流行，因为它在各种情景下都刚好适应了这个“真实世界”的需求。
〈分辨率和片幅〉
仍然使用上面16×20英寸的例子，如果底片是6×7厘米，只需放大约7倍。即使我们仍坚持照片上8 lp/mm的标准，底片上也只需要56 lp/mm而已；而且如果我们可以接受照片上的4 lp/mm，那么底片上只需要28 lp/mm的分辨率。如果我们使用4×5英寸的底片，放大率只有4倍，那么底片上只需32 lp/mm（严格标准）或16 lp/mm。这不只演示的大幅底片的显著优势，也同时解释了为什么大幅机的镜头可以收缩到比35毫米镜头更小的光圈。如果4×5底片上需要16 lp/mm的分辨率，那么用f/64才使衍射的限制刚刚达到。这也解释了另外一件事，就是一些镜头是怎样同时适用于35毫米和中幅相机的：当装在35毫米相机上时，使用的只是镜头像场的中央部分，也就是分辨率最高的部分；而当装在中幅相机上时，像场边缘的分辨率虽不高，但已经够用。
有了这些数据，你可以对分辨率图表加深理解，但分辨率不应被单独考虑。
9、反差
想象两支镜头同样拍摄64 lp/mm的标板，但反差不同。反差高的镜头成像是白和黑，而反差低的镜头成像是淡灰色和深灰色。高反差镜头的成像看起来更锐利。
这没有什么吃惊。令人吃惊的是，虽然高反差镜头的成像看起来更锐利，但低反差镜头可以到达更高的分辨率，比如80 lp/mm。前文提到过，在30年代，Leica镜头偏重于分辨率，而Contax镜头倾向于高反差，这就导致的双方支持者的论战。双方都说自己的镜头更“锐利”，当然，他们说得都对，或者说，都错。
这主要取决于镀膜，但也与新型玻璃或者新的光学设计有关。现代的镜头比早期镜头有更高的分辨率和更大的反差。但即使如此，分辨率和反差仍然需要折衷。镜头的镜片越多，反差越低，仍然是不变的定律，原因已经说明。
10、眩光和鬼影
“眩光”可以指两样东西。有些镜头是由于内部反光问题，被称为“flary”（意为闪耀着亮光，就是我们通常说的镜片反光白花花的）。但是，通常眩光是指内部反射依然可见，而不是指导致劣质的成像。典型的，眩光将导致高光向外溢出，因此亮部周围通常会围绕着一种光辉。也有时镜头会产生一个主像和一个附属的“鬼影”，比如日光灯管或路灯。现代的镀膜技术使其不再是一个大问题，但偶尔还是会发生，尤其是廉价的变焦镜头和超大光圈镜头。去除滤镜能减轻类似问题。
一种常见的内部反射是当光线直射入镜头时，产生光圈形状的影像。有些人喜欢这种效果，但有些人讨厌。对于内部反射，一个设计合理的较深的遮光罩将能有效减轻眩光和鬼影。
〖遮光罩的作用其实有限，当顺光拍照或光源直接出现在画面中时，遮光罩基本没什么作用，只有当光线从前方斜向射来时，遮光罩的用处才最大。不过一直戴着绝对没什么坏处。〗
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