攝影鏡頭光學(xué)及機(jī)械簡介

1、攝影鏡頭光學(xué)及機(jī)械簡介1庫克(Cook)三重鏡1894年發(fā)展出庫克三重鏡，大致如上圖。許多雙鏡反光機(jī)的對焦鏡其實(shí)就是庫克三重鏡，有些雙鏡反光機(jī)連攝影鏡頭也是庫克三重鏡，此鏡頭雖然可以用，可是邊緣的影像還是不很好，光圈要縮到11或更小才會比較好。除了一些較廉價(jià)的相機(jī)鏡頭會使用此種結(jié)構(gòu)之外，有些廉價(jià)的放大機(jī)鏡頭也是使用這種三片式的鏡片結(jié)構(gòu)。此種鏡片結(jié)構(gòu)的鏡頭在改裝上的價(jià)值不高，因?yàn)檫吘売跋癫皇悄屈N好，花了精神卻沒有很好的畫質(zhì)，應(yīng)該是劃不來的。2Tessar鏡1881年Tessar鏡的早期型就已經(jīng)設(shè)計(jì)出來，此鏡用了四片玻璃，其中一片是膠合的。1902年蔡斯公司設(shè)計(jì)了更新的Tessar鏡片，影像比庫克

2、鏡優(yōu)良。大部分的Tessar鏡是3組4片，後來又陸續(xù)的發(fā)展出許多的變形或是使用了更多的鏡片，許多雙鏡反光機(jī)的攝影鏡是使用此一結(jié)構(gòu)，事實(shí)上此結(jié)構(gòu)一直沿用到現(xiàn)在，還是有許多廉價(jià)相機(jī)採用。有些所謂的薄餅鏡也是使用Tessar鏡的改良型。此種結(jié)構(gòu)曾經(jīng)使用在各種的廣角、標(biāo)準(zhǔn)以及望遠(yuǎn)鏡頭上，甚至曾經(jīng)製造出焦距1公尺以上的Tessar望遠(yuǎn)鏡頭。有些中價(jià)位的放大機(jī)鏡頭也是使用Tessar結(jié)構(gòu)。3把最後面的一片拆下，如果是膠合鏡，那可能就是Tessar。要怎麼看膠合鏡呢？一般而言，如果將鏡片放在燈光底下，一個鏡面會有一個反光，單片鏡片會有兩個反光影像，如果是膠合鏡，那在兩個反光之間會看到一個隱隱約約不怎麼明顯的

3、反光影像，那就是來自膠合鏡面的反光光源最好是單燈泡的光源，否則光算燈泡數(shù)目就眼花了 4高斯型標(biāo)準(zhǔn)鏡下圖稱為高斯型，是1817年數(shù)學(xué)家高斯為了解決天文望遠(yuǎn)鏡像差問題而設(shè)計(jì)的。5在1888年發(fā)現(xiàn)對稱型的高斯設(shè)計(jì)也是可以產(chǎn)生良好的影像，後來許多公司都開始生產(chǎn)以對稱高斯型為基礎(chǔ)的鏡頭。直至今日，許多標(biāo)準(zhǔn)鏡都是對稱高斯型的改良型，即使是六片或七片的標(biāo)準(zhǔn)鏡結(jié)構(gòu)，也是由對稱高斯型所演變而來。一些高級的放大機(jī)鏡頭也會使用對稱型高斯結(jié)構(gòu)，Nikon的50/2.8放大機(jī)鏡頭就是屬於此種鏡頭。有一些影印機(jī)鏡頭也是高斯型結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛坝C(jī)設(shè)計(jì)大部分是用於1:1，所以使用對稱型高斯結(jié)構(gòu)，此類鏡頭可以改裝成天文望遠(yuǎn)鏡，但是

4、比較重；也可以改成像機(jī)的望遠(yuǎn)鏡頭。6左方的圖分別為Pentax-M 50/1.4以及Carl Zeiss 50/1.8標(biāo)準(zhǔn)鏡結(jié)構(gòu)，都算是對稱高斯型的變形。 一般而言，如果一個鏡頭是高斯型的結(jié)構(gòu)，大致上影像品質(zhì)都不會太差。7望遠(yuǎn)鏡 一般的望遠(yuǎn)鏡用兩片透鏡就可以做到還不錯的效果，後方如果加上一片凹透鏡，則可以獲得焦距增長的結(jié)果，可以很簡單的放大倍率，如左圖。 天文望遠(yuǎn)鏡上一般稱為巴羅鏡。此種組合可以獲得更長的等效焦距，但是整個實(shí)體長度卻不會增加太多。一般望遠(yuǎn)鏡用的加倍鏡大概只要兩片就夠了，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡只要中間區(qū)域影像清楚就好，但是攝影用的加倍鏡至少要四片，高品質(zhì)的甚至有七片結(jié)構(gòu)的。右圖為Pentax

5、 200mm f4望遠(yuǎn)鏡頭的結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出前方為凸鏡組，而後方則為凹鏡組。8一般的加倍鏡（如左圖）用的也是此種原理，加倍鏡增加的長度有限，可是焦距卻是兩倍。如果用兩片式的望遠(yuǎn)鏡片改裝在單眼相機(jī)上面使用，如果焦距大於400mm，其實(shí)影像也可以不錯。兩片式的結(jié)構(gòu)有個小問題，就是鏡筒很長，如果能利用巴羅鏡的原理就可以用更短的鏡筒獲得更長的焦距，因此目前實(shí)際上的望遠(yuǎn)鏡頭都是前方用凸鏡組，後方用凹鏡組來組合，此種稱為伽利略式結(jié)構(gòu)。所以稱為伽利略式，是因?yàn)楫?dāng)初伽利略就用一片凸鏡與一片凹鏡組成了簡單的望遠(yuǎn)鏡。實(shí)際上攝影鏡頭當(dāng)然為了獲得優(yōu)良的影像而使用多片鏡片的結(jié)構(gòu)。在天文望遠(yuǎn)鏡而言，一個望遠(yuǎn)鏡的物鏡

6、如果是三片結(jié)構(gòu)的話，必然是高級物鏡，價(jià)格大概都是三級跳。不過在攝影鏡頭而言，一個望遠(yuǎn)鏡頭大概至少都會有四片甚至更多的鏡片才能說是高級鏡頭；主要是因?yàn)閿z影時需要清楚成像的面積更大。9望遠(yuǎn)鏡頭常有所謂的內(nèi)對焦設(shè)計(jì)，原理大致如左，最前方的鏡片不動，最後方的鏡組有時可動可不動，中間的鏡組則會前後移動，此種設(shè)計(jì)中間鏡組只移動一點(diǎn)點(diǎn)則可在較大的範(fàn)圍對焦。前鏡組不動時，偏光鏡就不會跟著動，比較方便。整個鏡頭的重心移動量也少，易於平衡。自動對焦系統(tǒng)只要負(fù)責(zé)較少、較輕量的鏡組移動，所耗費(fèi)的能量也少，所需要的力量也小一些，反應(yīng)自然也可以更迅速。一般內(nèi)對焦系統(tǒng)較常用於望遠(yuǎn)鏡頭，廣角鏡或標(biāo)準(zhǔn)鏡本身比較小巧，較少用到內(nèi)

7、對焦系統(tǒng)。10左方的公式是計(jì)算透鏡組的等效焦距用的，在組裝望遠(yuǎn)鏡目鏡的時候可以利用。f是各別透鏡的焦距，d則為鏡片間的距離，計(jì)算後則為組合後透鏡組的等效焦距，但實(shí)際上攝影用的鏡頭組合非常繁複，透鏡數(shù)量很多，形狀也不是理想的對稱凸透鏡，無論是焦距或是透鏡距離的計(jì)算都不是這麼單純，但是我們可以利用此處的觀念，反正透鏡組間的距離改變時，整個透鏡組的等效焦距是會變的。內(nèi)對焦的望遠(yuǎn)鏡頭中間鏡組移動時，整個鏡頭的焦距其實(shí)就會產(chǎn)生一些變化，進(jìn)而導(dǎo)致聚焦點(diǎn)的位置也會變化，就可以產(chǎn)生對焦的作用。一般的影印機(jī)鏡頭、製版鏡頭等多半是對稱型高斯鏡的變形，除了可以改裝為望遠(yuǎn)鏡頭，還適合改裝為120底片用的鏡頭，因?yàn)榇祟?/p>

8、鏡頭可以在大面積的範(fàn)圍成像，而且變形校正的很好，您看過影印出來歪歪扭扭變形的嗎？不過此種鏡頭因?yàn)椴皇琴だ允皆O(shè)計(jì)，所以鏡筒較長，鏡片多因而也較重。望遠(yuǎn)鏡頭在改裝上問題較小，因?yàn)殓R筒較長，改裝時鋸掉一點(diǎn)影響不大，最後一片鏡片與底片（或CCD）距離較遠(yuǎn)，不大會影響反光鏡的運(yùn)作。11廣角鏡為了拍攝更廣的場景，當(dāng)然也發(fā)展出了廣角鏡，但是廣角鏡有個問題，就是廣角鏡因?yàn)榻咕喽?，後方鏡片與底片或感光元件的距離比較短。在非單眼相機(jī)例如連動測距相機(jī)上也許問題較小，但是在單眼相機(jī)上會有被反光鏡打到的問題，目前在數(shù)位相機(jī)上也有邊緣影像的光線角度過大的問題。單眼相機(jī)的廣角鏡使用了倒伽利略式的設(shè)計(jì)，如左圖，就是前鏡組為

9、凹鏡，後鏡組為凸鏡，伽利略式可以用較短的鏡筒產(chǎn)生較長的焦距，倒過來則可以用較長的鏡筒來產(chǎn)生較短的焦距，所以廣角鏡常常整個鏡頭好幾公分甚至到10cm以上長度，但是實(shí)際焦距只有23公分甚至1公分多。左圖是Carl Zeiss 35/2.8的廣角鏡頭結(jié)構(gòu)，似乎在三十年前就用此種結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的Contax廣角鏡竟然還是用此結(jié)構(gòu)，可見Zeiss的設(shè)計(jì)好像是一次到位，長長久久，日本鏡則幾乎每幾年就改了。 12實(shí)際的廣角鏡當(dāng)然用了更多的鏡片組合來調(diào)整各種像差。如果拿到了廣角鏡，可以先試試看最末端鏡片與成像之間的距離，如果小於4cm，大概不適合用於單眼相機(jī)，因?yàn)閱窝巯鄼C(jī)有反光鏡的裝置，距離不夠會影響反光鏡的運(yùn)作

10、，甚至打壞反光鏡。一般如果鏡後距不足的廣角鏡頭，大概只能倒接改裝為大倍率的微距鏡。13魚眼鏡魚眼鏡其實(shí)是一種廣角鏡，只是保留了甚至加強(qiáng)了變形而已。一般來說魚眼鏡也是採用倒伽利略式的結(jié)構(gòu)。一般的全天魚眼，就是可以在底片上產(chǎn)生一個圓形的180度影像，焦距大約在8mm左右；如果是CCD用的，那就複雜了，有全幅的、APS尺寸、乘以1.3、乘以1.6的等等。另一種魚眼是畫面對角線180度的，以底片機(jī)而言，焦距大約在1517mm左右。14反射鏡長焦距的望遠(yuǎn)鏡頭其實(shí)與天文望遠(yuǎn)鏡一樣，都會讓人想到難道鏡筒不能短一點(diǎn)嗎？天文鏡有所謂的卡賽格林式、馬克斯多夫式，都是利用前後反射鏡達(dá)到反射多次將鏡筒減短的目的，而攝

11、影鏡頭也有類似的設(shè)計(jì)如左圖，利用多次反射將鏡筒減短。此類望遠(yuǎn)鏡頭缺點(diǎn)是光圈較小，一般400mm的鏡頭大約是5.6，更長的鏡頭光圈只有8甚至更小，光圈也是固定光圈無法調(diào)整。脫焦處的影像常常成為甜甜圈樣的同心圓。 15非球面鏡有時為了校正像差，必須使用非球面鏡，此點(diǎn)與天文望遠(yuǎn)鏡的需求其實(shí)是一樣的。例如稍大口徑的牛頓式反射鏡就需要拋物面化，而拋物面就是非球面鏡的一種。使用非球面鏡可以用更少的鏡片來達(dá)到同樣的光學(xué)品質(zhì)，但是過去用玻璃磨製非球面鏡不易施工，成本較高。 現(xiàn)代已經(jīng)可以用鑄造的方式來製造塑膠材料的非球面鏡，還可以鍍膜，成本降低。16高折射鏡有時為了校正像差也需要折射率較高的玻璃來製造鏡片，也可

12、以說使用高折射率的玻璃也可以使用更少的鏡片達(dá)到很好的效果。過去有所謂的瑩石鏡片也是此一目的，現(xiàn)代已經(jīng)發(fā)展出許多類似的材料，所謂的ED鏡片、SD鏡片、LD鏡片等都是類似的目的。17微距鏡微距鏡的目的是拍近距離，一般物體與影像的大小比標(biāo)準(zhǔn)鏡更接近1:1，早期也是使用對稱型高斯型結(jié)構(gòu)。有些使用更簡單的類似Tessar結(jié)構(gòu)，例如左圖就是pentax bellows 100mm f4的結(jié)構(gòu)，這是一個配合蛇腹的專用鏡，本身沒有對焦系統(tǒng)。 基本上來說，一個對稱式的結(jié)構(gòu)適合拍1:1左右的倍率。如果向著物體的鏡片比較大，一般適合拍小於1:1的比例，如果後方的鏡片比較大，較適合拍超過1:1的比例，這是以實(shí)際物體與

13、影像而言，與135底片還是120底片或是CCD都無關(guān)，純粹以影像尺度來衡量。如果要超過1:1的比例就需要將一般的攝影鏡頭倒接，這樣影像才比較符合當(dāng)初設(shè)計(jì)的光路走向。18在實(shí)際的微距鏡而言，因?yàn)橐?:1以下的比例以及放到更大的比例，會有其他的設(shè)計(jì)。有些會使用前組對焦，有些會設(shè)計(jì)一個後組鏡片在攝影比例超過2:1時再安裝上去等等，這都是要改善較大放大率時的成像品質(zhì)。如果要自己裝微距鏡，而且希望超過1:1的比例，用標(biāo)準(zhǔn)鏡或是廣角鏡去倒接吧，那樣成像品質(zhì)會不錯。19攝影鏡頭與望遠(yuǎn)鏡還有另一個不同，望遠(yuǎn)鏡看的東西都很遠(yuǎn)，調(diào)整焦距時移動量不大。一般廣角鏡、標(biāo)準(zhǔn)鏡、望遠(yuǎn)鏡等大部分因?yàn)閷苟斐傻溺R片前後移

14、動量與整個焦距相比的話，比值也都不大。因此焦距與口徑比的比值變化也不大，也就是說F值變化不大，因而不大需要做曝光的補(bǔ)償。 但是微距鏡不同，如左圖A中為微距鏡對焦在無限遠(yuǎn)處，B則為對焦在近處，此時可以發(fā)現(xiàn)鏡片組向前移動，如果拍到1:1時，鏡片必須向前伸長一個焦距的距離，因?yàn)槲锞嗯c像距相等時，以單鏡片而言，物距與像距皆等於鏡片的曲率半徑，也就是兩倍的焦距。此時成像的距離加倍了，但口徑並沒有變，因此F值變成了原來的2倍，也就是減了兩級，所以微距鏡在近拍時如果用測光表的話必須要視拍照的倍率來作曝光補(bǔ)償，而使用TTL閃燈的話則不必，因?yàn)門TL的測光測的是透過鏡頭的光量。2021因?yàn)槲⒕噻R在較近距離拍攝時

15、鏡組前移量較大，光線通過鏡片的角度也有比較大的改變，會導(dǎo)致畫質(zhì)的降低，故有些微距鏡為了改善近拍時的畫質(zhì)，設(shè)計(jì)了有鏡片的專用延伸管，如左圖的C，或者只有前組鏡片前移，如左圖的D，稱為前組對焦設(shè)計(jì)，這樣通過後鏡組的光線角度變化較小。由以上的說明應(yīng)該發(fā)現(xiàn)微距鏡其實(shí)在鏡片結(jié)構(gòu)上的花樣是比較多樣化的，但是比起變焦鏡而言，可能就相對簡單了一些。22外加廣角鏡或望遠(yuǎn)鏡 正規(guī)的廣角鏡或望遠(yuǎn)鏡一般比較貴，或是有些無法換鏡頭的相機(jī)也無法配廣角鏡或望遠(yuǎn)鏡，因此就有一種稱為附加鏡的鏡頭，此種鏡頭有廣角與望遠(yuǎn)兩種，附加鏡本身雖然有鏡片，但是並沒有焦距，也就是說不會有聚焦成像的功能，但是有調(diào)整進(jìn)入鏡頭光線的功能，因此有將

16、原有的鏡頭拍攝角度增加或變窄的能力。 結(jié)構(gòu)如左圖，圖A是廣角附加鏡，屬於倒伽利略結(jié)構(gòu)，而B圖是望遠(yuǎn)附加鏡，屬於伽利略式結(jié)構(gòu)。一般較廉價(jià)的是三片，較高級的有更多片鏡片組成。 一般而言當(dāng)鏡片數(shù)越多成像畫質(zhì)越好，但是也不是絕對，還要看原來鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)是否剛好與附加鏡的光學(xué)系統(tǒng)相合，所以購買此種鏡頭時最好帶原來的相機(jī)去配，至少在觀景窗裡面看起來要像樣。以望遠(yuǎn)附加鏡而言，其實(shí)就是一個伽利略式的低倍數(shù)小望遠(yuǎn)鏡。2324外加近照鏡以附加鏡而言，還有一種近照鏡也是屬於附加鏡，便宜的近照鏡只是一片弧形的單透鏡，用老花眼鏡就可以當(dāng)作近照鏡了，但是有些貴一點(diǎn)的近照鏡是像左圖B中的兩片式，是消色差的鏡片，成像會比較

17、好。用加倍鏡也可以達(dá)到近拍的目的，但是都不會比正規(guī)的微距鏡畫質(zhì)來的好，其實(shí)很簡單。外加近照鏡的原理其實(shí)就是利用兩片凸鏡（或兩組凸鏡）相疊後可以獲得更短的焦距的原理。在像距不變的條件下，焦距變短了，因此根據(jù)物距、像距、焦距等關(guān)係的公式，物距也會變短，就可以拍的更近。2526一般的外加近照鏡分為#1、#2、#3各號數(shù)（如左圖），#1的焦距大約在1m，#2焦距大約是一半也就是50cm，#3焦距為三分之一，也就是33cm，如果各號數(shù)相疊，當(dāng)然拍的更近。如果將相機(jī)鏡頭本身的焦距調(diào)在為無限遠(yuǎn)時，加上#1近照鏡的最遠(yuǎn)對焦距離將變?yōu)?m，使用#2則最遠(yuǎn)可對焦在50cm，其他依此類推，其實(shí)要達(dá)到近拍的目的有很多

18、，例如倒接、對接、使用近攝環(huán)、加倍鏡等。 27其他近照器材 倒接環(huán)一端是鏡頭的接環(huán)，另一端是鏡頭前的螺紋（如左圖A），倒接的優(yōu)點(diǎn)有二，一是增加像距，一是倒過來拍光線走的角度與原來設(shè)計(jì)的較為符合。 對接環(huán)則是可以用兩個濾鏡環(huán)相對黏合，然後將一個鏡頭倒接在原來的鏡頭前方，好處是放大率很大，而且也符合光路的設(shè)計(jì)。左圖B是一組自製的對接環(huán)，用兩個轉(zhuǎn)換口徑的接環(huán)對黏，不能用一般的濾鏡環(huán)，因?yàn)橐话愕臑V鏡環(huán)相對時黏合面積不足。28加倍鏡除了可以作為焦距加倍之用，也可以增進(jìn)近攝的能力，因?yàn)榻咕嗉颖叮亲罱鼘咕嚯x不變，因而可以獲得更大的影像。 有一種可以調(diào)整長度的加倍鏡可以進(jìn)一步的提升近攝能力，如左圖就是一

19、個可以伸長的加倍鏡。29近攝環(huán)是一種常見的近攝裝備，不過最好配合倒接或是微距鏡使用，否則一般鏡頭這樣用，畫質(zhì)不佳。近攝環(huán)常分為不同的長度，也可以組合使用。壞掉的加倍鏡如果拆掉鏡片也可當(dāng)作近攝環(huán)使用。30鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu) 鏡頭中的玻璃鏡片（塑膠鏡片）是鏡頭的核心，但是只有玻璃片也沒有用。有兩個重要的機(jī)構(gòu)，就是光圈控制與對焦機(jī)構(gòu)。31光圈機(jī)構(gòu) 最簡單的光圈就是用紙或者薄片材料作成中空的一片擋在鏡頭前面，但是實(shí)際上的鏡頭並不是單鏡片，一般都是如左圖的鏡片組，在鏡片組中其實(shí)投射到感光介質(zhì)各點(diǎn)是使用鏡片組的不同區(qū)域，尤其在小光圈時更是如此。因此並不能在左圖的A位置，用一片紙張中央剪一個洞來作為光圈（那種一片

20、或者兩片式的天文望遠(yuǎn)鏡才可以），透鏡組的話，光圈要放在各路光路的匯集交叉點(diǎn)B。光圈還要有可以調(diào)節(jié)大小的功能以便應(yīng)付各種光線強(qiáng)弱不同的環(huán)境。每一級光圈數(shù)字如1.4、2、2.8、4、5.6等等之間，透過的光線是成為倍數(shù)遞減，因?yàn)橹睆奖戎挡?.4倍，則面積為2倍的關(guān)係。3233早期的光圈結(jié)構(gòu)大部分是如左圖A、B，光圈葉底下有個金屬環(huán)，環(huán)上面有弧形的金屬片，也就是光圈葉，光圈葉的樣子如左圖E，光圈葉上面有金屬環(huán)B，弧形金屬片上有兩個小圓柱狀突起，一個卡在底座上，一個卡在上環(huán)的槽中，轉(zhuǎn)動上環(huán)弧形金屬片就會帶動光圈葉而向內(nèi)移動，每一片遮住一點(diǎn)，整個就會將邊緣遮住，像左圖的C、D。 3435此種結(jié)構(gòu)的光圈葉

21、大部分用了很多片，看起來中央的孔比較接近圓形，如左邊的圖。但也有用直角彎型的光圈葉，像右圖。 36左圖是由簡單的小型自動相機(jī)上拆下來的光圈零件，可以看出只有兩片簡單的彎曲形葉片，由一個桿子透過葉片上的槽來連動，這是比較簡單的光圈結(jié)構(gòu)。37現(xiàn)代的鏡頭為了自動縮光圈的速度需求，將光圈葉面積縮小，結(jié)構(gòu)簡化，減低摩擦力，多半使用了如左圖的結(jié)構(gòu)，兩個圓柱狀的結(jié)構(gòu)變得接近，然後用內(nèi)圈與外圈來控制，只要旋轉(zhuǎn)很小的角度就可以控制光圈快速的開闔。不管哪種結(jié)構(gòu)，光圈葉都很薄，都是一片疊一片，原來最上面的最後會疊在最下面那一片的更下面。底板環(huán)上面的小孔與光圈葉上的小圓柱都很密合，所以光圈葉要拆開簡單，要裝回的話，要小心要耐心，尤其是最後一片，因?yàn)橐迦胱钕旅嬉黄母旅?，一不小心折到了就會有痕，雖然可以用但是看來會很醜，嚴(yán)重折彎時可能就不能用了，會卡住。38光圈葉如果進(jìn)了油就要全拆開，當(dāng)然原來怎麼裝一定要紀(jì)錄好，拆開後可以用去漬油或是清潔劑洗淨(jìng)，必要時可以用軟毛刷，如果用清潔劑，洗完了要馬上擦乾並且徹底晾乾。光圈葉有一點(diǎn)要注意：【不能上油】。39攝影鏡頭的光圈機(jī)構(gòu)除了要縮放光圈之