摄影镜头光学及机械简介

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1、1,攝影鏡頭光學及機械簡介,2,庫克(Cook)三重鏡 1894年發展出庫克三重鏡，大致如上圖。 許多雙鏡反光機的對焦鏡其實就是庫克三重鏡，有些雙鏡反光機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。 除了一些較廉價的相機鏡頭會使用此種結構之外，有些廉價的放大機鏡頭也是使用這種三片式的鏡片結構。 此種鏡片結構的鏡頭在改裝上的價值不高，因為邊緣影像不是那麼好，花了精神卻沒有很好的畫質，應該是划不來的。,3,Tessar鏡,1881年Tessar鏡的早期型就已經設計出來，此鏡用了四片玻璃，其中一片是膠合的。 1902年蔡斯公司設計了更新的Te

2、ssar鏡片，影像比庫克鏡優良。 大部分的Tessar鏡是3組4片，後來又陸續的發展出許多的變形或是使用了更多的鏡片，許多雙鏡反光機的攝影鏡是使用此一結構，事實上此結構一直沿用到現在，還是有許多廉價相機採用。 有些所謂的薄餅鏡也是使用Tessar鏡的改良型。此種結構曾經使用在各種的廣角、標準以及望遠鏡頭上，甚至曾經製造出焦距1公尺以上的Tessar望遠鏡頭。 有些中價位的放大機鏡頭也是使用Tessar結構。,4,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

3、光之間會看到一個隱隱約約不怎麼明顯的反光影像，那就是來自膠合鏡面的反光 光源最好是單燈泡的光源，否則光算燈泡數目就眼花了,5,高斯型標準鏡,下圖稱為高斯型，是1817年數學家高斯為了解決天文望遠鏡像差問題而設計的。,6,在1888年發現對稱型的高斯設計也是可以產生良好的影像，後來許多公司都開始生產以對稱高斯型為基礎的鏡頭。 直至今日，許多標準鏡都是對稱高斯型的改良型，即使是六片或七片的標準鏡結構，也是由對稱高斯型所演變而來。 一些高級的放大機鏡頭也會使用對稱型高斯結構，Nikon的50/2.8放大機鏡頭就是屬於此種鏡頭。 有一些影印機鏡頭也是高斯型結構，因為影印機設計大部分是用於1:1，所以使

4、用對稱型高斯結構，此類鏡頭可以改裝成天文望遠鏡，但是比較重；也可以改成像機的望遠鏡頭。,7,左方的圖分別為Pentax-M 50/1.4以及Carl Zeiss 50/1.8標準鏡結構，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構，大致上影像品質都不會太差。,8,望遠鏡,一般的望遠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果，可以很簡單的放大倍率，如左圖。 天文望遠鏡上一般稱為巴羅鏡。此種組合可以獲得更長的等效焦距，但是整個實體長度卻不會增加太多。 一般望遠鏡用的加倍鏡大概只要兩片就夠了，因為望遠鏡只要中間區域影像清楚就好，但是攝影用的

5、加倍鏡至少要四片，高品質的甚至有七片結構的。 右圖為Pentax 200mm f4望遠鏡頭的結構圖，由圖中可以看出前方為凸鏡組，而後方則為凹鏡組。,9,一般的加倍鏡（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鏡片改裝在單眼相機上面使用，如果焦距大於400mm，其實影像也可以不錯。 兩片式的結構有個小問題，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，因此目前實際上的望遠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構。 所以稱為伽利略式，是因為當初伽利略就用一片凸鏡與一片凹鏡組成了簡單的望遠鏡。實際上攝影鏡頭當然

6、為了獲得優良的影像而使用多片鏡片的結構。 在天文望遠鏡而言，一個望遠鏡的物鏡如果是三片結構的話，必然是高級物鏡，價格大概都是三級跳。不過在攝影鏡頭而言，一個望遠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；主要是因為攝影時需要清楚成像的面積更大。,10,望遠鏡頭常有所謂的內對焦設計，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，此種設計中間鏡組只移動一點點則可在較大的範圍對焦。 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。 自動對焦系統只要負責較少、較輕量的鏡組移動，所耗費的能量也少，所需要的力量也小一些，反應

7、自然也可以更迅速。 一般內對焦系統較常用於望遠鏡頭，廣角鏡或標準鏡本身比較小巧，較少用到內對焦系統。,11,左方的公式是計算透鏡組的等效焦距用的，在組裝望遠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，計算後則為組合後透鏡組的等效焦距，但實際上攝影用的鏡頭組合非常繁複，透鏡數量很多，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。 內對焦的望遠鏡頭中間鏡組移動時，整個鏡頭的焦距其實就會產生一些變化，進而導致聚焦點的位置也會變化，就可以產生對焦的作用。 一般的影印機鏡頭、製

8、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鏡頭，還適合改裝為120底片用的鏡頭，因為此類鏡頭可以在大面積的範圍成像，而且變形校正的很好，您看過影印出來歪歪扭扭變形的嗎？不過此種鏡頭因為不是伽利略式設計，所以鏡筒較長，鏡片多因而也較重。 望遠鏡頭在改裝上問題較小，因為鏡筒較長，改裝時鋸掉一點影響不大，最後一片鏡片與底片（或CCD）距離較遠，不大會影響反光鏡的運作。,12,廣角鏡,為了拍攝更廣的場景，當然也發展出了廣角鏡，但是廣角鏡有個問題，就是廣角鏡因為焦距短，後方鏡片與底片或感光元件的距離比較短。 在非單眼相機例如連動測距相機上也許問題較小，但是在單眼相機上會有被反光鏡打到的問題，目

9、前在數位相機上也有邊緣影像的光線角度過大的問題。 單眼相機的廣角鏡使用了倒伽利略式的設計，如左圖，就是前鏡組為凹鏡，後鏡組為凸鏡，伽利略式可以用較短的鏡筒產生較長的焦距，倒過來則可以用較長的鏡筒來產生較短的焦距，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的廣角鏡頭結構，似乎在三十年前就用此種結構，現在的Contax廣角鏡竟然還是用此結構，可見Zeiss的設計好像是一次到位，長長久久，日本鏡則幾乎每幾年就改了。,13,實際的廣角鏡當然用了更多的鏡片組合來調整各種像差。 如果拿到了廣角鏡，可以先試試看最末端

10、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，因為單眼相機有反光鏡的裝置，距離不夠會影響反光鏡的運作，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。,14,魚眼鏡,魚眼鏡其實是一種廣角鏡，只是保留了甚至加強了變形而已。 一般來說魚眼鏡也是採用倒伽利略式的結構。 一般的全天魚眼，就是可以在底片上產生一個圓形的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，以底片機而言，焦距大約在1517mm左右。,15,反射鏡,長焦距的望遠鏡頭其實與天文望

11、遠鏡一樣，都會讓人想到難道鏡筒不能短一點嗎？ 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到反射多次將鏡筒減短的目的，而攝影鏡頭也有類似的設計如左圖，利用多次反射將鏡筒減短。 此類望遠鏡頭缺點是光圈較小，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整。 脫焦處的影像常常成為甜甜圈樣的同心圓。,16,非球面鏡,有時為了校正像差，必須使用非球面鏡，此點與天文望遠鏡的需求其實是一樣的。 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到同樣的光學品質，但是過去用玻璃磨製非球面鏡不易施工，

12、成本較高。 現代已經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。,17,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，也可以說使用高折射率的玻璃也可以使用更少的鏡片達到很好的效果。 過去有所謂的瑩石鏡片也是此一目的，現代已經發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。,18,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準鏡更接近1:1，早期也是使用對稱型高斯型結構。有些使用更簡單的類似Tessar結構，例如左圖就是pentax bellows 100mm f4的結構，這是一個配合蛇腹的專用鏡，本身沒有對焦系統。 基本上

13、來說，一個對稱式的結構適合拍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，這是以實際物體與影像而言，與135底片還是120底片或是CCD都無關，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初設計的光路走向。,19,在實際的微距鏡而言，因為要符合1:1以下的比例以及放到更大的比例，會有其他的設計。 有些會使用前組對焦，有些會設計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。 如果要自己裝微距鏡，而且希望超過1:1的比例，用標準鏡或是廣

14、角鏡去倒接吧，那樣成像品質會不錯。,20,攝影鏡頭與望遠鏡還有另一個不同，望遠鏡看的東西都很遠，調整焦距時移動量不大。 一般廣角鏡、標準鏡、望遠鏡等大部分因為對焦而造成的鏡片前後移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償。 但是微距鏡不同，如左圖A中為微距鏡對焦在無限遠處，B則為對焦在近處，此時可以發現鏡片組向前移動，如果拍到1:1時，鏡片必須向前伸長一個焦距的距離，因為物距與像距相等時，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，

15、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償，而使用TTL閃燈的話則不必，因為TTL的測光測的是透過鏡頭的光量。,21,22,因為微距鏡在較近距離拍攝時鏡組前移量較大，光線通過鏡片的角度也有比較大的改變，會導致畫質的降低，故有些微距鏡為了改善近拍時的畫質，設計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，稱為前組對焦設計，這樣通過後鏡組的光線角度變化較小。 由以上的說明應該發現微距鏡其實在鏡片結構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。,23,外加廣角鏡或望遠鏡,正規的廣角鏡或望遠鏡一般比較貴，或是有些無法換鏡

16、頭的相機也無法配廣角鏡或望遠鏡，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，但是有調整進入鏡頭光線的功能，因此有將原有的鏡頭拍攝角度增加或變窄的能力。 結構如左圖，圖A是廣角附加鏡，屬於倒伽利略結構，而B圖是望遠附加鏡，屬於伽利略式結構。一般較廉價的是三片，較高級的有更多片鏡片組成。 一般而言當鏡片數越多成像畫質越好，但是也不是絕對，還要看原來鏡頭的光學系統是否剛好與附加鏡的光學系統相合，所以購買此種鏡頭時最好帶原來的相機去配，至少在觀景窗裡面看起來要像樣。 以望遠附加鏡而言，其實就是一個伽利略式的低倍數小望遠鏡。,24,25,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作近照鏡了，但是有些貴一點的近照鏡是像左圖B中的兩片式，是消色差的鏡片，成像會比較好。 用加倍鏡也可以達到近拍的目的，但是都不會比正規的微距鏡畫質來的好，其實很簡單。 外加近照鏡的原理其實就是利用兩片凸鏡（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，因此根據物距、像距、焦距等關係的公式，物距也會變短，就可以拍的更近。,