（转）探寻现代镜头的基因（一）

真实幻影

http://www.nphoto.net/news/2011-08/23/20b9f4073b98ff87.shtml

新镜头的设计从何而来？
现代镜头设计使用计算机程序完成，但很少能找到一支新镜头是凭空诞生的。设计师都是从已经存在的设计着手，然后进行优化。当然，镜头设计师不会说“这支镜头真烂，我们就拿它当起点吧”。他们通常是在已经很好的设计基础上做进一步改进。
所以相机镜头就像达尔文的鸟一样，是严格遵守适者生存法则的。好的镜头会被复制及改进，直到不同的生产商都推出类似的产品；而差的镜头则很快就会销声匿迹。
我们惊奇地发现，事实上任何一支现代镜头的基因都可以向前追溯到五支镜头之一——其中4支诞生于1900年。这是一个惊人的事实：无论你使用哪支镜头，它的基础结构都诞生于1900年前后。
镜头的基因重要吗？
事实上，有那么一点。那些原始镜头所采用的形式，或多或少都有各自的优势和缺陷。现代镜头也同样继承了它们的这些“个性”。现代镜头中使用的那些复杂技术正是用来校正这些原始设计中存在的缺陷的。
了解一支镜头的基因是很有趣的。例如，我们能知道价值400美元的佳能（Canon）50mm f/1.4与价值8000美元的Cook Panchro 50mm电影镜头采用同样的基础设计。从技术上看也很有意思：佳能50mm f/1.4与50mm f/1.2、适马（Sigma）50mm f/1.4、尼康（Nikon）50mm f/1.4G及福伦达（Voigtlander）50mm f/1.1等都采用相同的基础设计。这解释了为什么它们的边缘都存在一些像散和球面差。
早期镜头设计
第一支镜头是非常简单的。但早在摄影术发明之前，人们就已经发现了2条重要法则：

• 新月形透镜可以校正简单透镜的球面差及像场弯曲。
• 消色差双合透镜可以校正色差。

新月形透镜（左）和双合透镜（右）

在达盖尔银版摄影法发明之后，摄影镜头的设计发展一日千里。20世纪初期市场上出现了大量各种镜头，其中大部分都消失了，但有6支——其中5支出现在1900年——“繁衍”出了我们今天使用的大部分镜头。第6支是倒置远摄镜头，上世纪20年代开始出现在电影行业中，到30年代末期才首次出现在单反相机上。

这6支镜头是现代镜头的先祖

在本文第一部分，我们来看看从这6支“原始”镜头中的3支。如果你使用单反相机拍摄，并拥有50mm或100mm定焦镜头，很可能会发现它们就来自这3支镜头中间。如果你使用旁轴相机、中画幅或高端摄像机，那么你用的每一支定焦镜头（包括广角）都可以从它们中找到源头。
Petzval人像镜头
优点：大光圈中心锐度优秀，暗角较小。
缺点：明显的像散和像场弯曲限制了它的焦段无法做得较长。
历史：1850年之前设计，这是一支非常重要的镜头，是人像摄影师半个世纪的支柱。相对而言，很少有现代镜头来自Petzval，但直到1950年之前，它都是投影仪和电影机的首选。它同时还是柯达f1.9电影镜头的基础，用于柯达16mm摄像机。
对称（Rapid Rectilinear）镜头
优点：对称设计几乎可以完全消除畸变、慧形像差及侧向色差。
缺点：有出现球面像差、像场弯曲及像散的倾向，因此限制了大光圈的实用性。即使在一般光圈下，基于这种设计的现代镜头也需要有额外的元件来消除像差，有时会增加镜头复杂程度和成本。
历史：Rapid Rectilinear镜头出现于19世纪60年代，是第一支拥有良好光学素质的对称结构镜头。它给摄影师提供了光圈适当的广角镜头，而且几乎没有畸变。从60年代到世纪之交（1900年）它们都用于风光和建筑摄影。随着新型镜片的出现，Rapid Rectilinear镜头可以针对像差和像场弯曲进行优化，令其表现更加优异。

Rapid Rectilinear发展过程

1890年出现的对称结构的蔡司（Zeiss）Protar（初名Anastigmat，意为无像散），被认为是第一支现代摄影镜头。经过长期发展，更好的镜头制造技术允许使用更多的镜片，而且前后镜组的尺寸也得到了优化，但仍保留了中段光圈的均匀性。今天的施耐德（Schneider）Angulon和徕卡（Leica）Super Angulon都直接来自Protar。
蔡司发现如果将前镜组分离而非粘合，可以进一步减少色差。这支镜头——天塞（Tessar）——看起来有点像以后会讨论的Cook Triplet。设计师Paul Rudolph可能受到过Triplet的影响，但天塞无疑来自Protar（编注：也有观点认为天塞来自Triplet，这里保留原文说法）。
今天很多优秀的镜头都是天塞的简单改良：Leitz Elmars、蔡司Sonnars、柯达Ektars、施耐德Xenars、福伦达Heliostigmats和Skopars，甚至包括尼康50mm f/1.8都是天塞的变种（编注：尼康50mm f/1.8应为双高斯结构，这里保留原作者说法）。如果你拥有35-110mm焦段画质不错且价格合理的镜头，最大光圈通常是f/2.8，那么很有可能就是天塞结构。
双高斯镜头
双高斯镜头来自对称镜头，但结合了凹凸透镜，都向中心位置弯曲，并在镜片之间留有空隙而非粘合在一起。
优点：双镜片结构允许使用更大的光圈，特别是相对于非对称结构而言。双高斯镜头的像场弯曲和色像差通常较小。
缺点：倾向于球面像差和像散。其原始版本的分辨率不佳。
历史：大光圈镜头的诱惑从来就不可能会被忽视。设计出Protar和天塞的Rudolph博士利用一对粘合镜片代替了内镜片，对双高斯结构进行了改进，即蔡司Planar——直到今天仍在使用。
20世纪20年代，Taylor Hobson的设计师发现并不需要严格对称，他们可以改变镜片的尺寸和形式，这一改动令光圈可以做得更大。这支镜头（Opic）直接促成了施耐德Xenon和蔡司Biotar的诞生。在电影领域，Cooke Speed Panchro及Angenieux S-type都是Planar的衍生。
这个设计还可以加入额外的镜片进行改进，但仍然不改双高斯的基础。有一种经典设计采用6枚镜片，光圈通常可以做到f/2.0。而大光圈镜头通常需要7枚甚至8枚镜片（额外的镜片用于控制像差和像散）。
如果你使用画质不错的大光圈定焦镜头，那么它很可能就是双高斯结构。这是50mm镜头的主要设计形式，不过也可以做得更长或更短。许多超级大光圈镜头，包括徕卡50mm f/0.95、佳能50mm f/1.0及蔡司75mm f/0.85都采用这种设计。大部分徕卡Summarits、Summicrons和Noktilux镜头，及几乎所有50mm定焦镜头都基于Planar改进而来。

1978-2010年间出现的26种采用双高斯结构的镜头

总结
看看你手中的大光圈50-85mm焦段定焦单反镜头的结构图，有很高的几率它们的核心结构就是对称或双高斯，通常还有一些附加镜片。
下图是几种现代镜头的典型结构图。左边的2个是佳能50mm f/1.4（上）和50mm f/1.2（下），中间是适马（上）和尼康（下）的50mm f/1.4。可以很明显地看出它们中间的镜片组与Taylor Hobson Opic非常相似。不同的设计师会改变镜片的弯曲度、镜片类型及前镜组，以不同的方式校正像散。

4支50mm镜头与24mm f/2.8（右上）和135mm f/2（右下）结构对比

因此，每一支50mm镜头都拥有共同的特点就没什么可奇怪的了（中央锐利，像场弯曲，边缘像散等）。上图中的24mm和135mm镜头很明显来自不同的结构设计。这些设计都有其各自的特点，我们将在第二部分中讨论。

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