摄影镜头光学实务及机械简介

摄影镜头光学实务及机械简介摄影镜头光学实务这个章节是对于一些摄影镜头的结构做简单的介绍，目的并不是要详细说明各种镜头的历史，那些资料在其他的一些网站可以找到。这里主要是使大家对摄影光学以及镜头结构有初步了解，以便在改装或维修镜头时更有概念。库克(Cook)三重镜为了克服这些问题，希望能得到更良好的影像，1894年发展出库克三重镜，大致如左图，库克三重镜流行了一阵子。许多双镜反光机的对焦镜其实就是库克三重镜，有些双镜反光机连摄影镜头也是库克三重镜，此镜头虽然可以用，可是边缘的影像还是不很好，光圈要缩到11或更小才会比较好。除了一些较廉价的相机镜头会使用此种结构之外，有些廉价的放大机镜头也是使用这种三片式的镜片结构。此种镜片结构的镜头在改装上的价值也不高，因为边缘影像不是那么好，花了精神却没有很好的画质，应该是划不来的。Tessar镜1881年Tessar镜的早期型就已经设计出来，此镜用了四片玻璃，其中一片是胶合的。1902年蔡斯公司设计了更新的Tessar镜片，影像比库克镜优良。不过也有人说更早就有此种镜头结构，但是镜片的结构其实是渐渐演进的，何时设计出来对使用者也没什么重要。大部分的Tessar镜是3组4片，后来又陆续的发展出许多的变形或是使用了更多的镜片，许多双镜反光机的摄影镜是使用此一结构，事实上此结构一直沿用到现在，还是有许多廉价相机采用。甚至有些所谓的薄饼镜也是使用Tessar镜的改良型。此种结构曾经使用在各种的广角、标准以及望远镜头上，甚至曾经制造出焦距1公尺以上的Tessar望远镜头。此外有些中价位的放大机镜头也是使用Tessar结构。使用此种结构的镜头，有些可以得到相当不错的影像质量，如果有数位单眼，其实可以用手拿着试拍看看（有人戏称为人肉接环），如果质量可以的话，是值得拿来玩一下的。也许有人会问，Cook镜与Tessar镜要如何区分？在实务上，其实如果试拍认为影像质量还好，那么是哪种结构似乎也没那么重要，但如果真要分辨，可以看看是几片镜片构成。把最后面的一片拆下看看就知道，如果是胶合镜，那可能就是Tessar。要怎么看胶合镜呢？一般而言，如果将镜片放在灯光底下，一个镜面会有一个反光，单片镜片会有两个反光影像，如果是胶合镜，那在两个反光之间会看到一个隐隐约约不怎么明显的反光影像，那就是来自胶合镜面的反光，但是光源最好是单灯泡的光源，否则光算灯泡数目就眼花了。高斯型标准镜左图称为高斯型，是1817年数学家高斯为了解决天文望远镜像差问题而设计的。在1888年发现对称型的高斯设计(如右图)也是可以产生良好的影像，后来许多公司都开始生产以对称高斯型为基础的镜头。直至今日，许多标准镜都是对称高斯型的改良型，即使是六片或七片的标准镜结构，也是由对称高斯型所演变而来，各位可以自行查一下各相机公司的网页，看看那些标准镜的结构就知道了。一些高级的放大机镜头也会使用对称型高斯结构，我有一只Nikon的50/2.8放大机镜头就是属于此种镜头。有一些复印机镜头也是高斯型结构，因为复印机设计大部分是用于1:1，所以使用对称型高斯结构，此类镜头可以改装成天文望远镜，但是比较重；也可以改成像机的望远镜头。左方的图分别为Pentax-M50/1.4以及CarlZeiss50/1.8标准镜结构，都算是对称高斯型的变形。一般而言，如果一个镜头是高斯型的结构，大致上影像质量都不会太差。磨了那么多镜片还设计出烂镜，也太扯了吧，还不如用Tessar。望远镜在望远镜的章节中曾介绍，一般的望远镜用两片透镜就可以做到还不错的效果，后方如果加上一片凹透镜，则可以获得焦距增长的结果，可以很简单的放大倍率，如左图，在天文望远镜上一般称为巴罗镜。此种组合可以获得更长的等效焦距，但是整个实体长度却不会增加太多。原理在自制望远镜配件章节中有介绍，请自行参阅。不同的是一般望远镜用的加倍镜大概只要两片就够了，因为望远镜只要中间区域影像清楚就好，但是摄影用的加倍镜至少要四片，高质量的甚至有七片结构的。左图为Pentax200mmf4望远镜头的结构图，由图中可以看出前方为凸镜组，而后方则为凹镜组。这样的原理也可以用在摄影镜头上，一般的加倍镜（如左图）用的也是此种原理，加倍镜增加的长度有限，可是焦距却是两倍。一般而言，望远镜头用两片也差强人意了，我们如果用两片式的望远镜片改装在单眼相机上面使用，如果焦距大于400mm，其实影像也可以不错，笔者也改装过。但是这样两片式的结构有个小问题，就是镜筒很长，如果能利用巴罗镜的原理就可以用更短的镜筒获得更长的焦距，因此目前实际上的望远镜头都是前方用凸镜组，后方用凹镜组来组合，此种称为伽利略式结构。所以称为伽利略式，是因为当初伽利略就用一片凸镜与一片凹镜组成了简单的望远镜。实际上摄影镜头当然为了获得优良的影像而使用多片镜片的结构。在天文望远镜而言，一个望远镜的物镜如果是三片结构的话，必然是高级物镜，价格大概都是三级跳。不过在摄影镜头而言，一个望远镜头大概至少都会有四片甚至更多的镜片才能说是高级镜头；主要是因为摄影时需要清楚成像的面积更大。望远镜头常有所谓的内对焦设计，原理大致如左，最前方的镜片不动，最后方的镜组有时可动可不动，中间的镜组则会前后移动，此种设计中间镜组只移动一点点则可在较大的范围对焦。前镜组不动时，偏光镜就不会跟着动，比较方便。整个镜头的重心移动量也少，易于平衡。此外自动对焦系统只要负责较少、较轻量的镜组移动，所耗费的能量也少，所需要的力量也小一些，反应自然也可以更迅速。一般内对焦系统较常用于望远镜头，广角镜或标准镜本身比较小巧，较少用到内对焦系统。左方的公式是计算透镜组的等效焦距用的，在自己组装望远镜目镜的时候可以利用。f是各别透镜的焦距，d则为镜片间的距离，计算后则为组合后透镜组的等效焦距，但实际上摄影用的镜头组合非常繁复，透镜数量很多，形状也不是理想的对称凸透镜，无论是焦距或是透镜距离的计算都不是这么单纯，但是我们可以利用此处的观念，反正透镜组间的距离改变时，整个透镜组的等效焦距是会变的。因此内对焦的望远镜头中间镜组移动时，整个镜头的焦距其实就会产生一些变化，进而导致聚焦点的位置也会变化，就可以产生对焦的作用。一般的复印机镜头、制版镜头等多半是对称型高斯镜的变形，除了可以改装为望远镜头，还适合改装为120底片用的镜头，因为此类镜头可以在大面积的范围成像，而且变形校正的很好，您看过影印出来歪歪扭扭变形的吗？不过此种镜头因为不是伽利略式设计，所以镜筒较长，镜片多因而也较重。一般而言，望远镜头在改装上问题较小，因为镜筒较长，改装时锯掉一点影响不大，最后一片镜片与底片（或CCD）距离较远，不大会影响反光镜的运作。广角镜为了拍摄更广的场景，当然也发展出了广角镜，但是广角镜有个问题，就是广角镜因为焦距短，后方镜片与底片或感光元件的距离比较短，在非单眼相机例如连动测距相机上也许问题较小，但是在单眼相机上会有被反光镜打到的问题，目前在数位相机上也有边缘影像的光线角度过大的问题。为了解决这些问题，单眼相机的广角镜使用了倒伽利略式的设计，如左图，就是前镜组为凹镜，后镜组为凸镜，伽利略式可以用较短的镜筒产生较长的焦距，倒过来则可以用较长的镜筒来产生较短的焦距，所以广角镜常常整个镜头好几公分甚至到10cm以上长度，但是实际焦距只有2~3公分甚至1公分多。实际的广角镜当然用了更多的镜片组合来调整各种像差。左图是CarlZeiss35/2.8的广角镜头结构，此结构很神，似乎在三十年前就用此种结构，现在的Contax广角镜竟然还是用此结构，可见Zeiss的设计好像是一次到位，长长久久，日本镜则几乎每几年就改了。如果拿到了广角镜，可以先试试看最末端镜片与成像之间的距离，如果小于4cm，大概不适合用于单眼相机，因为单眼相机有反光镜的装置，距离不够会影响反光镜的运作，甚至打坏反光镜。一般如果镜后距不足的广角镜头，大概只能倒接改装为大倍率的微距镜。鱼眼镜鱼眼镜其实是一种广角镜，只是保留了甚至加强了变形而已。一般来说鱼眼镜也是采用倒伽利略式的结构。一般的全天鱼眼，就是可以在底片上产生一个圆形的180度影像，焦距大约在8mm左右；如果是CCD用的，那就复杂了，有全幅的、APS尺寸、乘以1.3、乘以1.6的等等。另一种鱼眼是画面对角线180度的，以底片机而言，焦距大约在15~17mm左右。左图是Sigma15mmf2.8的对角线鱼眼镜结构，该镜在底片机上可以拍出对角线180度的视角。反射镜长焦距的望远镜头其实与天文望远镜一样，都会让人想到难道镜筒不能短一点吗？天文镜有所谓的卡赛格林式、马克斯多夫式，都是利用前后反射镜达到反射多次将镜筒减短的目的，而摄影镜头也有类似的设计如左图，左图是Tamron500mmf8反射镜头，利用多次反射将镜筒减短。此类望远镜头的优点是镜筒短、重量轻。缺点则是光圈较小，一般400mm的镜头大约是5.6，更长的镜头光圈只有8甚至更小，而且光圈固定无法调整。此外金属的反射层时间久了会氧化变质、一般而言分辨率不如折光镜等也是缺点。反射镜脱焦处的影像常常成为甜甜圈样的同心圆，此种现象许多人不喜欢。非球面镜有时为了校正像差，必须使用非球面镜，此点与天文望远镜的需求其实是一样的，例如稍大口径的牛顿式反射镜就需要抛物面化，而抛物面就是非球面镜的一种。使用非球面镜可以用更少的镜片来达到同样的光学质量，但是过去用玻璃磨制非球面镜不易施工，成本较高，现代已经可以用铸造的方式来制造塑胶材料的非球面镜，还可以镀膜，成本降低后，已经较为普遍。左图即为PentaxDA18-55mmf3.5-5.6的光学结构，粉红色部份即为非球面镜。高折射镜有时为了校正像差也需要折射率较高的玻璃来制造镜片，也可以说使用高折射率的玻璃也可以使用更少的镜片达到很好的效果。过去有所谓的莹石镜片也是此一目的，现代已经发展出许多类似的材料，所谓的ED镜片、SD镜片、LD镜片、SLD镜片等都是类似的目的。左图为SigmaEX12-24mmf4.5-5.6的光学结构，粉红色为非球面镜，深蓝色部份则为SLD镜片。微距镜微距镜的目的是拍近距离，一般物体与影像的大小比标准镜更接近1:1，早期也是使用对称型高斯型结构。有些使用更简单的类似Tessar结构，例如左图就是pentaxbellows100mmf4的结构，这是一个配合蛇腹的专用镜，本身没有对焦系统。基本上来说，一个对称式的结构适合拍1:1左右的倍率。如果向着物体的镜片比较大，一般适合拍小于1:1的比例，如果后方的镜片比较大，较适合拍超过1:1的比例，这是以实际物体与影像而言，与135底片还是120底片或是CCD都无关，纯粹以影像尺度来衡量，而且也只是一个大约的说法。因此如果要超过1:1的比例就需要将一般的摄影镜头倒接，这样影像才比较符合当初设计的光路走向，这是自己改装微距镜时候的概念。在实际的微距镜而言，因为要符合1:1以下的比例以及放到更大的比例，会有其他的设计。有些会使用前组对焦，有些会设计一个后组镜片在摄影比例超过2:1时再安装上去等等，这都是要改善较大放大率时的成像质量。不过如果要自己装微距镜，而且希望超过1:1的比例，用标准镜或是广角镜去倒接或者对接吧，那样成像质量会不错。摄影镜头与望远镜还有另一个不同，望远镜看的东西都很远，调整焦距时移动量不大。一般广角镜、标准镜、望远镜等大部分因为对焦而造成的镜片前后移动量与整个焦距相比的话，比值也都不大。因此焦距（正确说应该是成像的距离）与口径比的比值变化也不大，也就是说F值变化不大，因而不大需要做曝光的补偿。但是微距镜不同，如左图A中为微距镜对焦在无限远处，B则为对焦在近处，此时可以发现镜片组向前移动，如果拍到1:1时，镜片必须向前伸长一个焦距的距离，因为物距与像距相等时，以单镜片而言，物距与像距皆等于镜片的曲率半径，也就是两倍的焦距，这是高中物理就教过的。此时成像的距离加倍了，但口径并没有变，因此F值变成了原来的2倍，也就是减了两级，所以微距镜在近拍时如果用测光表的话必须要视拍照的倍率来作曝光补偿，而使用TTL闪灯的话则不必，因为TTL的测光测的是透过镜头的光量。因为微距镜在较近距