单反镜头基本知识②

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，效果可以接受。

从双镜片再到三镜片，镜头的光圈更大，成像也相当锐利，CookeTriplet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ZeissTessar(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Leitz560mmf/6.8Telyt，只用了两片镜片。50mmf/1.4一般需要6或7片，21mmf/4.5ZeissBiogon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560mmTelyt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，21mmBiogon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!

远摄和倒置远摄结构(TelephotoandReverse-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。

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200mmf/2.8已经很大很贵，而一支70-210mmf/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。

镜头的计算机辅助设计制作

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中。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。

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'('awayfromcolour')可以把红、绿、蓝光聚于同一焦点，是成像锐度显着提高，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，一些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。

2、大曲率

镜片的曲率越大，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。

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。

4、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，Zeiss50mmf/1.5Sonnar只有六个镜片空气接触面，而Leitz50mmf/1.5Summarit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。

5、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。

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。

6、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。


单反镜头

7、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8lp/mm(线对/毫米)。比如4x6英寸照片是4倍放大率，所以在底片上需要4x8=32lp/mm的分辨率;6倍放大率(即8x10英寸或20x25厘米照片)就需要48lp/mm。

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32lp/mm，那么实际上有35-40lp/mm就应该可以;但如果理论上需要底片上有64lp/mm，实际上可能需要80lp/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。

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500lp/mm;在f/4为250lp/mm;而f/8就限制在125lp/mm。实际上，100lp/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62.5lp/mm。在f/22时，降低到45lp/mm;而f/32时只有31lp/mm。

另一方面，我们可能太注重这些数据了。其实45lp/mm已经给予6x9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。

为了制作一张16x20英寸(40x50厘米)的照片，一张35毫米底片需要放大约16倍，但128lp/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64lp/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。

仍然使用上面16x20英寸的例子，如果底片是6x7厘米，只需放大约7倍。即使我们仍坚持照片上8lp/mm的标准，底片上也只需要56lp/mm而已;而且如果我们可以接受照片上的4lp/mm，那么底片上只需要28lp/mm的分辨率。如果我们使用4x5英寸的底片，放大率只有4倍，那么底片上只需32lp/mm(严格标准)或16lp/mm。这不只演示的大幅底片的显着优势，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4x5底片上需要16lp/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。

8、反差

想象两支镜头同样拍摄64lp/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80lp/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。

9、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。

10、场曲

很少有镜头能把一个纯平的景物投射到一个纯平面上。相反的，它们会形成一个弯曲的或碟状的成像：中央距离镜头最远，边缘较近。有些早期相机为了配合这一点，将胶片平面做成曲面。不过，通常上，设计者尽量使镜头的像场更平，使其可以在平整的底片上的成像可以接收。

场曲是导致镜头成像从中央向四周逐渐变差的原因之一，这在超大光圈镜头和变蕉镜头上更严重。对于单反相机，通常以画面中央对焦，因此边缘可能会变软，但如果边缘没有什么主体的话，这就不成问题。

11、底片的平整

前提到过镜头成像在'平整'的底片上。有些相机的底片比其他的要平整很多;然而，不平整很可能会帮助提高锐度。如果把机身装上废片，使用B或T门从前方看，可以发现底片有一点点弯曲。如果碰巧的话，这刚好符合了像场的碗或碟状弯曲。这可能就是为什么战前的Leica比它能够达到的还要锐利：底片不是绝对平整，并且Elmar镜头的像场弯曲，两者似乎可以经常完美结合。但有些机器的底片会比其他平整一些，这也就是旧Leica的个体差异大的原因。

12、畸变

主要有两种，即桶形畸变和枕形畸变。传统上，广角镜头会产生桶形畸变，鱼眼镜头是利用桶形畸变的例子;远摄镜头通常产生枕形畸变;廉价(或早期)变焦镜头可能两种都有，在广角段产生桶形畸变，在长焦端是枕形畸变。

如果你拍摄边缘有直线的景物，畸变就很容易被察觉。但通常你很难在取景器里发现，因为有时取景器本身的光学系统也是有畸变的，不过畸变确实产生在底片上。当然，严重的畸变可以从取景器中观察到。

使用24毫米或更广的超广角镜头，在边缘的圆圈将变成椭圆。使用网球可以很明显的验证，正如许多摄影书籍中的例子;但是当一个人的头产生这样的畸变时，可能会很恐怖。

对于这种畸变你无计可施，因为这是光学角度过大造成的。弯曲的焦平面可以解决这一问题，很难做到。绝大多数设计者都选择放弃寻找正确的像场弯曲度，而愿意保存这种危害不大的广角畸变。

13、照度

一支完美的镜头，像场各处的照度都是相同的。一个长焦镜头(非远摄结构)像场中照度的不均匀可能很难察觉;但对于广角镜头和一些变焦镜头的某些焦段，可能很明显。

成像边缘失光(暗角)可以由两种原因造成。一种是机械遮角，即由镜头的结构造成的：光线进入镜头的角度越斜，被透镜边缘、镜头卡口或内部遮挡的就越多。大的前组和后组镜片可以减轻这种遮角，这也是为什么一些变焦镜头的暗角很严重：为了体积和便携，成像照度被用来进行折衷。

另一种叫做cos4暗角，这个名称是因为一束光照射在一个平面上的亮度与入射角的余弦(cos)的4次方成正比。对于传统超广角镜头(非反远摄结构)，成像边缘的光线相当斜，照度也随之减弱。解决cos4暗角的唯一方法是使用一种渐变滤镜，中央深色，边缘浅色。具我们所知，只有一只35毫米镜头使用过这种系统，就是ZeissHologon15mm镜头，一支极少见的收藏品。

14、'X'因素(未知因素)

即使你考虑了以上所有因素，以及一些含糊不清的技术，镜头制造中仍有一小点魔力。对此曾有过多种多样的表达。我们的祖父曾谈起过一些镜头的'Plasticrendition'，意思说照片有三维空间感(当时'plastic'的意思)。现今，我们可能会说某一镜头有很好的'层次'(gradation)感，虽然，当被追问时，我们也很难解释那到底表示什么。但是，无可质疑的，确实有些镜头有着特殊的魔力，其中我们拥有的就包括了一支21mmf/4'mirror-up'(使用时需锁上反光镜)Nikon;另一支21mmf/4.5ZeissBiogon;一支58mmf/1.4，为NikonF生产的第一款f/1.4;三支中的两支35-85mmf/2.8VivitarSeriesOnevarifocals变焦镜头;以及一支(大画幅)150mmf/6.3Tessar。这种'魔力'甚至在同一款的不同个体上都不一定存在，但当你发现时，你会意识到。