最簡單的攝影不需要鏡頭,針孔就可以,它的光圈一般是f/128或更小。
單鏡片鏡頭在早期的相機使用,成像可以比針孔銳利,光圈也更大,基本可以手持拍攝。工作光圈大概在f/12左右。由于當時使用大底片,效果可以接受。 從雙鏡片再到三鏡片,鏡頭的光圈更大,成像也相當銳利,Cooke Triplet是目前已知的最好設計。如果是四片鏡片,成像已經(jīng)相當好,比如Zeiss Tessar(天塞),四片三組結構,其中兩片粘在一起形成一組。四片結構的天塞鏡頭唯一的問題是光圈不能做得太大,不然像質會下降。對于35毫米相機,天塞結構的頂限是f/2.8,即使使用當前最好的光學玻璃。要光圈更大,就要更多鏡片。 速度(即最大光圈)不是唯一的問題。視角越大,需要的鏡片越多。一支低速小視角鏡頭,例如Leitz 560mm f/6.8 Telyt,只用了兩片鏡片。50mm f/1.4一般需要6或7片,21mm f/4.5 Zeiss Biogon使用了8片。更多的鏡片使鏡頭更大更重也更貴。
到此為止,大家只是考慮了制造一個銳利、快速或廣角的鏡頭需要的鏡片數(shù)目,但還有另一個問題要擔心,就是鏡頭的實際尺寸。上面560mm Telyt鏡頭中的兩片鏡片當聚焦在無限遠時,必須距離膠片560mm,因此鏡頭有60厘米長!相反的,21mm Biogon全長為45毫米,當聚焦無限遠時,鏡頭的光心必須距離膠片21毫米,這21毫米基本被鏡片占據(jù),使最后一片鏡片離膠片只有5毫米。這就是為什么Biogon不能用于單反相機,因為沒有給反光鏡的空間! 遠攝和倒置遠攝結構
(Telephoto and Reverse-Telephoto)
解決上述兩個問題的辦法驚人的相似。為了縮短長焦鏡頭的長度,一組新的鏡片--稱為“遠攝組”--被放在主鏡組的后面。這就是一個遠攝鏡頭(telephoto)和一個長焦鏡頭(long-focus)的區(qū)別。 另一方面,為了使廣角鏡頭后面有足夠空間,一組新鏡片加在了主鏡組的前面,被稱為“倒置遠攝”組,因為產生的效果和遠攝鏡頭剛好相反。
新加入的鏡片組只是改變后組與膠片的距離,并不能提高鏡頭的銳度,甚至會產生負作用。一支普通長焦鏡頭可以比遠攝鏡頭更銳利,一支普通廣角鏡頭也可能比“倒置遠攝”結構的鏡頭更銳利。因此有些長焦和廣角鏡頭仍在生產,而廣角鏡頭用在單反機身上時必須鎖起反光鏡,對焦要靠另外的取景器。有些成像質量相當好,比如Zeiss和Nikon的21mm,以及Canon的19mm。不過遠攝鏡頭和“倒置遠攝”鏡頭的方便性是毋庸置疑的。 變焦鏡頭
上面討論的都是定焦鏡頭。如果鏡頭使用的透鏡數(shù)目夠多,透鏡的相對位置又可以移動,就可以產生不同的焦距,也就是變焦鏡頭。到了這一步,透鏡總數(shù)通常都是 10多片,但并不是所有透鏡都為了提高鏡頭的銳度。細心的設計,使用高級光學玻璃,可以使變焦鏡頭的成像相當好,但他們仍比不上最好的定焦鏡頭。 為達到一定水平的銳度,變焦范圍越大,需要的透鏡越多。對變焦范圍的衡量,通常使用變焦比。一般焦距越長,變焦比可以越大;而廣角端焦距越短,就越難提供大變焦比。
大光圈需要更多,廣角需要更多透鏡,變焦需要更多透鏡,應此變焦鏡頭通常光圈較小并不奇怪。大部分變焦鏡頭在f/4左右,可能有些較大到f/3.5左右,有些較小只有f/4.5左右,不過f/4是一個較好的平均值。大光圈變焦頭不成比例的巨大、沉重,且更昂貴:從f/4到f/2.8只有一檔,但你可能要多花三倍的錢。問題不在廣角端,而在于長焦端。一支200mm f/2.8已經(jīng)很大很貴,而一支70-210mm f/2.8將更大更貴。 另一條路是選擇變光圈變焦鏡頭。這種鏡頭的結構比恒定光圈變焦鏡頭簡單,但長焦端的光圈會比較小,而且中間焦段的實際光圈不容易確定,不過使用通鏡測光的話問題不大。 鏡頭的計算機輔助設計 制作
計算機輔助設計使現(xiàn)代的鏡頭更優(yōu)秀,即使便宜的變焦頭效果也可以接受。使用計算機,設計、測試和修改可以在幾小時或幾天內完成,而以前需要幾星期甚至幾個月。
然而,CAD并不總是為了制造可能的最銳利的鏡頭。比如較便宜的鏡頭,通常在銳度和成本之間進行折中。聰明的程序僅使用廉價的光學玻璃、小曲率的曲面和球面透鏡就可以設計出不錯的鏡頭。但為了得到最佳成像,必須使用特殊玻璃、大曲率和非球面等更昂貴的技術。 3.1、特殊玻璃
由最昂貴的光學玻璃制成的透鏡,象純金一樣,是按照重量計價的。設計師尋找的通常是高折射率低色散玻璃。色散使不同顏色(頻率)的光線聚于不同的焦平面,這顯然影響了銳度。將所有顏色的光線聚在同一焦平面,就是鏡頭光學設計設計中的“色差校正”。能做到這樣的鏡頭被稱為“achromats”或“achromatics”,意為“無色”。 實際上,“無色”鏡頭只是把紅光和藍光聚于同一平面,還有很大的校正空間。而“apochromat”(“away from colour”)可以把紅、綠、藍光聚于同一焦點,是成像銳度顯著提高,這也是為什么很多鏡頭廣告在宣傳“Apo”。由于對于攝影鏡頭的消色差還沒有嚴格的定義,因此很難不懷疑有些鏡頭的消色差比其他更好。類似的,尼康的“ED”(極低色散)顯然是指ED鏡頭中使用的特殊玻璃。但玻璃怎樣才變得特殊呢? 很少鏡頭使用玻璃以外的材料。實際上,螢石由于獨特的光學性質被使用。然而,螢石鏡片非常貴,也非常脆弱,一些極短的沖擊就能令它破碎,并且如果不與空氣隔絕的話,它會逐漸分解。如今,螢石已被特殊玻璃取代(除了在不計費用的軍用鏡頭中)。 樹脂不適于制造高級鏡頭,通常用于廉價鏡頭。但是Tamron曾推出的將樹脂覆蓋在玻璃上的“混和非球面”鏡頭卻很特別。 3.2、大曲率
鏡片的曲率越大,制造成本越高。大曲率的優(yōu)勢在于,與高折射率低色散玻璃配合時,可以代替兩或三片普通透鏡。對于一些超廣角鏡頭和變焦頭,曲率非常大的曲面是最好的設計。 3.3、非球面
絕大多數(shù)鏡頭使用的只是“普通”球面的透鏡。雖然研磨非球面也是可能的,如拋物面或雙曲面,但更昂貴。非球面的使用也可以減少透鏡的總數(shù):一個非球面透鏡可以達到兩個球面透鏡的效果,或多個非球面鏡可以達到球面鏡不能達到的效果。 任何時候,非球面鏡頭都是屈指可數(shù)的,他們通常是同樣的球面鏡頭價格的兩到三倍。通常只有大光圈鏡頭使用非球面鏡,并且通常只有一個鏡片使用非球面。
隨著鏡頭設計和玻璃制造的提高,非球面變的越來越不必要。然而,Tamron的“混和非球面”鏡頭提供了很好的校正,又避免了樹脂的缺點,也許是非球面在為了存在的唯一方式。 3.4、反差和透鏡數(shù)量
你現(xiàn)在可能認為,使用足夠的透鏡,正確的種類和正確的形狀,就可以制造幾乎任何鏡頭。大體上來說,就是這樣。但一個不能逃避的事實是,更多的透鏡,意味著更低的反差。雖然多層鍍膜可以大幅度減小鏡片表面的反光,但還無法完全消除,這些反射的雜光降低了反差。
早期無鍍膜鏡頭在每個鏡片表面可以反射百分之五到十的光線,這就是為什么要盡量減少鏡片空氣接觸面的數(shù)量。比如,Zeiss 50mm f/1.5 Sonnar只有六個鏡片空氣接觸面,而Leitz 50mm f/1.5 Summarit有十個。Summarit分辨率更高;但Sonnar的反差更大,以至看起來更銳利。
如今鏡片表面的反光率只有大概百分之1.5到0.01。廉價鏡頭的鍍膜效果也較差,而昂貴鏡頭雖然有較多鏡片,但鍍膜質量也更高,使得反差更高。
鍍膜使用了光的“干涉”原理,鍍膜的厚度必須是光波長的四分之一。顯然,一層鍍膜只能減弱一種波長(顏色)光線的反射。多層鍍膜可以減弱多種波長光線的反射。不管其他廠商怎么說,Leitz看起來應該是最早使用多層鍍膜的廠家,在五十年代晚期。
鍍膜和多層鍍膜似乎使遮光罩失去了以往的重要性,但有些情況下好的遮光罩仍然可以產生驚人的效果。理想的遮光罩應該適于底片的長寬比,并且可調長度。這在大中幅設備中很普遍,但在35毫米系統(tǒng)中幾乎沒有。有些人把中幅機的遮光罩用在35毫米鏡頭上。
3.5、制造工藝
無論你的鏡頭設計的多么好,理論上能到達多么高的水平,如果制造不當,一起都前功盡棄。精確的鏡頭到膠片距離是最明顯,也是最容易做到的。還有,鏡頭的組裝必須達到不可想象的精確;所有鏡片的軸心都必須完全吻合;每一個鏡片都必須精確的固定在鏡桶上。固定必須非常牢固,不然鏡頭掉落或受到碰撞時就會改變結構。一支昂貴的鏡頭將得到非常精密的組裝,以及在每一步的測試和試驗。一支廉價鏡頭可能軸線沒有完全對齊;或者雖然對齊了,但在日常使用中的碰撞就可能倒置鏡片位移。
對焦機構必須精確和順暢,并且耐用。光圈和葉片,以及相連接的機構也必須順滑。所有螺絲和壓環(huán)必須擰緊,并且保持不變。廉價鏡頭比昂貴的鏡頭更容易松動,雖然很大程度取決于你怎樣保養(yǎng)鏡頭。比如說,騎摩托長途旅行,肯定對鏡頭不利。
3.6、材料
與使用方式比起來,鏡頭卡口使用的材質并不太重要。即使塑料也沒什么不可以,因為那畢竟不是軸承表面,并且如果它的強度足夠應付日常的積壓和拉伸。輕金屬合金可以替代黃銅,如果它們做得當?shù)谋砻嫣幚恚ㄍǔJ请婂儯?,但鋼(除了不銹鋼)應該謹慎使用,如果有腐蝕的可能。對于接觸面,特別是卡口,較硬的材質如不銹鋼或厚鍍層的黃銅,顯然要比裸露的黃銅或輕金屬合金更合適。 一個常識是,耐用意味著重量,雖然有很多中方法可以不使用黃銅制造耐用的鏡頭。一個真正優(yōu)質的鏡頭如果正常使用,可以用上幾十年,即使是專業(yè)人士的粗暴使用。一個廉價鏡頭,雖然剛開始還不錯,但無法保持那么久。
3.7、分辨率
分辨率,即一個鏡頭可以表現(xiàn)的細節(jié)的多少,顯然非常重要,并且基于平均的視力和圖片尺寸,很容易設定銳度的標準。正常視力的人可以分辨約一分的弧度,或大約相當于在3米的距離看到白背景上的黑頭發(fā)。使用傳統(tǒng)攝影術語來講,約等于在25厘米的距離觀看照片上的8線對/毫米。因此,從擴印照片時的放大率就可以大致計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(線對/毫米)。比如4x6英寸照片是4倍放大率,所以在底片上需要4x8=32 lp/mm的分辨率;6倍放大率(即8x10英寸或20x25厘米照片)就需要48 lp/mm。
在實際中,大家需要底片上的分辨率比上面的計算結果要稍微高一點,因為放大過程中要損失一些銳度;并且放大率越大,需要的“多余”的分辨率就越多。因此,如果理論計算需要32 lp/mm,那么實際上有35-40 lp/mm就應該可以;但如果理論上需要底片上有64 lp/mm,實際上可能需要80 lp/mm。很大程度取決于放大鏡頭,以及放大時對焦的精確;而對于掃描底片,掃描儀類似于一個完美的放大機,因此在過程中損失的分辨率較少。膠片本身也很重要,慢速、細顆粒的膠片比高速、粗顆粒膠片的分辨能力更強。 然而,分辨率在理論上還受到絕對的制約。撇開深奧的理論不說,一個明顯的定律就是,衍射對分辨率的限制,以lp/mm為單位,在百分之五十的反差,分辨率的頂限是1000/n,這里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為250 lp/mm;而f/8就限制在125 lp/mm。實際上,100 lp/mm或稍微高一點,是普通用途膠片可以記錄的最高分辨率,即使是用來獲得最高的銳度。1000/n定律也解釋了為什么35毫米相機的鏡頭很少用小于 f/16的光圈,因為在f/16分辨率已經(jīng)限制在62.5 lp/mm。在f/22時,降低到45 lp/mm;而f/32時只有31 lp/mm。 另一方面,大家可能太注重這些數(shù)據(jù)了。其實45 lp/mm已經(jīng)給予6x9英寸照片可以接受的效果,雖然再小的分辨率就可以看出差別。并且1000/n從理論上來講可能被認為太苛刻,即使1500/n在某些情況下被認為是剛剛合適的標準。
為了制作一張16x20英寸(40x50厘米)的照片,一張35毫米底片需要放大約16倍,但128 lp/mm在底片上卻是不可能的。然而,通常大家不會在25厘米的距離觀看這么大的一張照片,很可能是在至少兩倍的距離上觀看。這使得分辨率的標準隨著觀看距離而改變,因此兩倍的觀看距離將使需要的分辨率減少一半,即64 lp/mm。這里很容易看出,為什么35毫米相機可以如此流行,因為它在各種情景下都剛好適應了這個“真實世界”的需求。 仍然使用上面16x20英寸的例子,如果底片是6x7厘米,只需放大約7倍。即使大家仍堅持照片上8 lp/mm的標準,底片上也只需要56 lp/mm而已;而且如果大家可以接受照片上的4 lp/mm,那么底片上只需要28 lp/mm的分辨率。如果大家使用4x5英寸的底片,放大率只有4倍,那么底片上只需32 lp/mm(嚴格標準)或16 lp/mm。這不只演示的大幅底片的顯著優(yōu)勢,也同時解釋了為什么大幅機的鏡頭可以收縮到比35毫米鏡頭更小的光圈。如果4x5底片上需要16 lp/mm的分辨率,那么用f/64才使衍射的限制剛剛達到。這也解釋了另外一件事,就是一些鏡頭是怎樣同時適用于35毫米和中幅相機的:當裝在35毫米相機上時,使用的只是鏡頭像場的中央部分,也就是分辨率最高的部分;而當裝在中幅相機上時,像場邊緣的分辨率雖不高,但已經(jīng)夠用。
有了這些數(shù)據(jù),你可以對分辨率圖表加深理解,但分辨率不應被單獨考慮。
3.8、反差
想象兩支鏡頭同樣拍攝64 lp/mm的標板,但反差不同。反差高的鏡頭成像是白和黑,而反差低的鏡頭成像是淡灰色和深灰色。高反差鏡頭的成像看起來更銳利。 這沒有什么吃驚。令人吃驚的是,雖然高反差鏡頭的成像看起來更銳利,但低反差鏡頭可以到達更高的分辨率,比如80 lp/mm。前文提到過,在30年代,Leica鏡頭偏重于分辨率,而Contax鏡頭傾向于高反差,這就導致的雙方支持者的論戰(zhàn)。雙方都說自己的鏡頭更“銳利”,當然,他們說得都對,或者說,都錯。
這主要取決于鍍膜,但也與新型玻璃或者新的光學設計有關?,F(xiàn)代的鏡頭比早期鏡頭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。鏡頭的鏡片越多,反差越低,仍然是不變的定律,原因已經(jīng)說明。 “眩光”可以指兩樣東西。有些鏡頭是由于內部反光問題,被稱為“flary”(意為閃耀著亮光,就是大家通常說的鏡片反光白花花的)。但是,通常眩光是指內部反射依然可見,而不是指導致劣質的成像。典型的,眩光將導致高光向外溢出,因此亮部周圍通常會圍繞著一種光輝。也有時鏡頭會產生一個主像和一個附屬的“鬼影”,比如日光燈管或路燈?,F(xiàn)代的鍍膜技術使其不再是一個大問題,但偶爾還是會發(fā)生,尤其是廉價的變焦鏡頭和超大光圈鏡頭。去除濾鏡能減輕類似問題。
一種常見的內部反射是當光線直射入鏡頭時,產生光圈形狀的影像。有些人喜歡這種效果,但有些人討厭。對于內部反射,一個設計合理的較深的遮光罩將能有效減輕眩光和鬼影。
3.10、場曲
很少有鏡頭能把一個純平的景物投射到一個純平面上。相反的,它們會形成一個彎曲的或碟狀的成像:中央距離鏡頭最遠,邊緣較近。有些早期相機為了配合這一點,將膠片平面做成曲面。不過,通常上,設計者盡量使鏡頭的像場更平,使其可以在平整的底片上的成像可以接收。 場曲是導致鏡頭成像從中央向四周逐漸變差的原因之一,這在超大光圈鏡頭和變蕉鏡頭上更嚴重。對于單反相機,通常以畫面中央對焦,因此邊緣可能會變軟,但如果邊緣沒有什么主體的話,這就不成問題。
3.11、底片的平整
前提到過鏡頭成像在“平整”的底片上。有些相機的底片比其他的要平整很多;然而,不平整很可能會幫助提高銳度。如果把機身裝上廢片,使用B或T門從前方看,可以發(fā)現(xiàn)底片有一點點彎曲。如果碰巧的話,這剛好符合了像場的碗或碟狀彎曲。這可能就是為什么戰(zhàn)前的 Leica比它能夠達到的還要銳利:底片不是絕對平整,并且Elmar鏡頭的像場彎曲,兩者似乎可以經(jīng)常完美結合。但有些機器的底片會比其他平整一些,這也就是舊Leica的個體差異大的原因。 3.12、畸變
主要有兩種,即桶形畸變和枕形畸變。傳統(tǒng)上,廣角鏡頭會產生桶形畸變,魚眼鏡頭是利用桶形畸變的例子;遠攝鏡頭通常產生枕形畸變;廉價(或早期)變焦鏡頭可能兩種都有,在廣角段產生桶形畸變,在長焦端是枕形畸變。 如果你拍攝邊緣有直線的景物,畸變就很容易被察覺。但通常你很難在取景器里發(fā)現(xiàn),因為有時取景器本身的光學系統(tǒng)也是有畸變的,不過畸變確實產生在底片上。當然,嚴重的畸變可以從取景器中觀察到。
使用24毫米或更廣的超廣角鏡頭,在邊緣的圓圈將變成橢圓。使用網(wǎng)球可以很明顯的驗證,正如許多攝影書籍中的例子;但是當一個人的頭產生這樣的畸變時,可能會很恐怖。
對于這種畸變你無計可施,因為這是光學角度過大造成的。彎曲的焦平面可以解決這一問題,很難做到。絕大多數(shù)設計者都選擇放棄尋找正確的像場彎曲度,而愿意保存這種危害不大的廣角畸變。 3.13、照度
一支完美的鏡頭,像場各處的照度都是相同的。一個長焦鏡頭(非遠攝結構)像場中照度的不均勻可能很難察覺;但對于廣角鏡頭和一些變焦鏡頭的某些焦段,可能很明顯。
成像邊緣失光(暗角)可以由兩種原因造成。一種是機械遮角,即由鏡頭的結構造成的:光線進入鏡頭的角度越斜,被透鏡邊緣、鏡頭卡口或內部遮擋的就越多。大的前組和后組鏡片可以減輕這種遮角,這也是為什么一些變焦鏡頭的暗角很嚴重:為了體積和便攜,成像照度被用來進行折衷。
另一種叫做cos4暗角,這個名稱是因為一束光照射在一個平面上的亮度與入射角的余弦(cos)的4次方成正比。對于傳統(tǒng)超廣角鏡頭(非反遠攝結構),成像邊緣的光線相當斜,照度也隨之減弱。解決cos4暗角的唯一方法是使用一種漸變?yōu)V鏡,中央深色,邊緣淺色。具大家所知,只有一只35毫米鏡頭使用過這種系統(tǒng),就是Zeiss Hologon 15mm鏡頭,一支極少見的收藏品。 3.14、'X'因素(未知因素)
即使你考慮了以上所有因素,以及一些含糊不清的技術,鏡頭制造中仍有一小點魔力。對此曾有過多種多樣的表達。大家的祖父曾談起過一些鏡頭的“Plastic rendition”,意思說照片有三維空間感(當時“plastic”的意思)?,F(xiàn)今,大家可能會說某一鏡頭有很好的“層次”(gradation)感,雖然,當被追問時,大家也很難解釋那到底表示什么。但是,無可質疑的,確實有些鏡頭有著特殊的魔力,其中大家擁有的就包括了一支21mm f/4 'mirror-up'(使用時需鎖上反光鏡) Nikon;另一支21mm f/4.5 Zeiss Biogon;一支58mm f/1.4,為Nikon F生產的第一款f/1.4;三支中的兩支35-85mm f/2.8 Vivitar Series One varifocals變焦鏡頭;以及一支(大畫幅)150mm f/6.3 Tessar。這種“魔力”甚至在同一款的不同個體上都不一定存在,但當你發(fā)現(xiàn)時,你會意識到。