摄影镜头光学及机械简介

攝影鏡頭光學及機械簡介

1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。2Tessar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Tessar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。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

4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。5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。6左方的圖分別為Pentax-M50/1.4以及CarlZeiss50/1.8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。7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，但是攝影用的加倍鏡至少要四片，高品質的甚至有七片結構的。右圖為Pentax200mmf4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。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。9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。

10左方的公公式是計計算透鏡鏡組的等等效焦距距用的，，在組裝裝望遠鏡鏡目鏡的的時候可可以利用用。f是是各別透透鏡的焦焦距，d則為鏡鏡片間的的距離，，計算後後則為組組合後透透鏡組的的等效焦焦距，但但實際上上攝影用用的鏡頭頭組合非非常繁複複，透鏡鏡數量很很多，形形狀也不不是理想想的對稱稱凸透鏡鏡，無論論是焦距距或是透透鏡距離離的計算算都不是是這麼單單純，但但是我們們可以利利用此處處的觀念念，反正正透鏡組組間的距距離改變變時，整整個透鏡鏡組的等等效焦距距是會變變的。內對焦的的望遠鏡鏡頭中間間鏡組移移動時，，整個鏡鏡頭的焦焦距其實實就會產產生一些些變化，，進而導導致聚焦焦點的位位置也會會變化，，就可以以產生對對焦的作作用。一般的影影印機鏡鏡頭、製製版鏡頭頭等多半半是對稱稱型高斯斯鏡的變變形，除除了可以以改裝為為望遠鏡鏡頭，還還適合改改裝為120底底片用的的鏡頭，，因為此此類鏡頭頭可以在在大面積積的範圍圍成像，，而且變變形校正正的很好好，您看看過影印印出來歪歪歪扭扭扭變形的的嗎？不不過此種種鏡頭因因為不是是伽利略略式設計計，所以以鏡筒較較長，鏡鏡片多因因而也較較重。望遠遠鏡鏡頭頭在在改改裝裝上上問問題題較較小小，，因因為為鏡鏡筒筒較較長長，，改改裝裝時時鋸鋸掉掉一一點點影影響響不不大大，，最最後後一一片片鏡鏡片片與與底底片片（（或或CCD））距距離離較較遠遠，，不不大大會會影影響響反反光光鏡鏡的的運運作作。。11廣角角鏡鏡為了了拍拍攝攝更更廣廣的的場場景景，，當當然然也也發發展展出出了了廣廣角角鏡鏡，，但但是是廣廣角角鏡鏡有有個個問問題題，，就就是是廣廣角角鏡鏡因因為為焦焦距距短短，，後後方方鏡鏡片片與與底底片片或或感感光光元元件件的的距距離離比比較較短短。。在非非單單眼眼相相機機例例如如連連動動測測距距相相機機上上也也許許問問題題較較小小，，但但是是在在單單眼眼相相機機上上會會有有被被反反光光鏡鏡打打到到的的問問題題，，目目前前在在數數位位相相機機上上也也有有邊邊緣緣影影像像的的光光線線角角度度過過大大的的問問題題。。單眼眼相相機機的的廣廣角角鏡鏡使使用用了了倒倒伽伽利利略略式式的的設設計計，，如如左左圖圖，，就就是是前前鏡鏡組組為為凹凹鏡鏡，，後後鏡鏡組組為為凸凸鏡鏡，，伽利略略式可以用用較短短的鏡鏡筒產產生較較長的的焦距距，倒倒過來來則可可以用用較長長的鏡鏡筒來來產生生較短短的焦焦距，，所以以廣角角鏡常常常整整個鏡鏡頭好好幾公公分甚甚至到到10cm以上上長度度，但但是實實際焦焦距只只有2~3公分分甚至至1公公分多多。左圖是是CarlZeiss35/2.8的的廣角角鏡頭頭結構構，似似乎在在三十十年前前就用用此種種結構構，現現在的的Contax廣角角鏡竟竟然還還是用用此結結構，，可見見Zeiss的的設計計好像像是一一次到到位，，長長長久久久，日日本鏡鏡則幾幾乎每每幾年年就改改了。。12實際的的廣角角鏡當當然用用了更更多的的鏡片片組合合來調調整各各種像像差。。如果拿拿到了了廣角角鏡，，可以以先試試試看看最末末端鏡鏡片與與成像像之間間的距距離，，如果果小於於4cm，大概概不適適合用用於單單眼相相機，，因為為單眼眼相機機有反反光鏡鏡的裝裝置，，距離離不夠夠會影影響反反光鏡鏡的運運作，，甚至至打壞壞反光光鏡。。一般如如果鏡鏡後距距不足足的廣廣角鏡鏡頭，，大概概只能能倒接接改裝裝為大大倍率率的微距鏡鏡。13魚眼鏡鏡魚眼鏡鏡其實實是一一種廣廣角鏡鏡，只只是保保留了了甚至至加強強了變變形而而已。。一般來來說魚魚眼鏡鏡也是是採用用倒伽利利略式式的結構構。一般的的全天天魚眼眼，就就是可可以在在底片片上產產生一一個圓圓形的的180度度影像像，焦焦距大大約在在8mm左右；；如果果是CCD用的的，那那就複複雜了了，有有全幅幅的、、APS尺尺寸、、乘以以1.3、、乘以以1.6的的等等等。另一種種魚眼眼是畫畫面對對角線線180度度的，，以底底片機機而言言，焦焦距大大約在在15~17mm左右。。14反射鏡鏡長焦距距的望望遠鏡鏡頭其其實與與天文文望遠遠鏡一一樣，，都會會讓人人想到到難道道鏡筒不不能短短一點點嗎？？天文鏡鏡有所所謂的的卡賽賽格林林式、、馬克克斯多多夫式式，都都是利利用前前後反反射鏡鏡達到到反射多多次將鏡筒筒減短短的目目的，，而攝攝影鏡鏡頭也也有類類似的的設計計如左左圖，，利用用多次次反射射將鏡鏡筒減減短。。此類望望遠鏡鏡頭缺缺點是是光圈圈較小小，一一般400mm的鏡鏡頭大大約是是5.6，更長長的鏡鏡頭光光圈只只有8甚至至更小小，光光圈也也是固固定光光圈無無法調調整。。脫焦處處的影影像常常常成成為甜甜甜圈圈樣的的同心心圓。。15非球面面鏡有時為為了校校正像像差，，必須須使用用非球球面鏡鏡，此此點與與天文文望遠遠鏡的的需求求其實實是一一樣的的。例如稍稍大口口徑的的牛頓頓式反反射鏡鏡就需需要拋拋物面面化，，而拋拋物面面就是是非球球面鏡鏡的一一種。。使用非非球面面鏡可可以用用更少少的鏡鏡片來來達到到同樣樣的光光學品品質，，但是是過去去用玻玻璃磨磨製非非球面面鏡不不易施施工，，成本本較高高。現代已已經可可以用用鑄造造的方方式來來製造造塑膠膠材料料的非非球面面鏡，，還可可以鍍鍍膜，，成本本降低低。16高折射射鏡有時為為了校校正像像差也也需要要折射射率較較高的的玻璃璃來製製造鏡鏡片，，也可可以說說使用用高折射射率的玻璃璃也可可以使使用更更少的的鏡片片達到到很好好的效效果。。過去有有所謂謂的瑩瑩石鏡鏡片也也是此此一目目的，，現代代已經經發展展出許許多類類似的的材料料，所所謂的的ED鏡片片、SD鏡鏡片、、LD鏡片片等都都是類類似的的目的的。17微距鏡鏡微距鏡鏡的目目的是是拍近近距離離，一一般物物體與與影像像的大大小比比標準準鏡更更接近近1:1，，早期期也是是使用用對稱稱型高高斯型型結構構。有有些使使用更更簡單單的類類似Tessar結結構，，例如如左圖圖就是是pentaxbellows100mmf4的的結構構，這這是一一個配配合蛇蛇腹的的專用用鏡，，本身身沒有有對焦焦系統統。基本上上來說說，一一個對對稱式式的結結構適適合拍拍1:1左左右的的倍率率。如如果向向著物物體的的鏡片片比較較大，，一般般適合合拍小小於1:1的比比例，，如果果後方方的鏡鏡片比比較大大，較較適合合拍超超過1:1的比比例，，這是是以實實際物物體與與影像像而言言，與與135底底片還還是120底片片或是是CCD都都無關關，純純粹以以影像像尺度度來衡衡量。。如果要要超過過1:1的的比例例就需需要將將一般般的攝攝影鏡鏡頭倒倒接，，這樣樣影像像才比比較符符合當當初設設計的的光路路走向向。18在實際際的微微距鏡鏡而言言，因因為要要符合合1:1以以下的的比例例以及及放到到更大大的比比例，，會有有其他他的設設計。。有些會會使用用前組組對焦焦，有有些會會設計計一個個後組組鏡片片在攝攝影比比例超超過2:1時再再安裝裝上去去等等等，這這都是是要改改善較較大放放大率率時的的成像像品質質。如果要要自己己裝微微距鏡鏡，而而且希希望超超過1:1的比比例，，用標準鏡鏡或是廣角鏡鏡去倒接接吧，，那樣樣成像像品質質會不不錯。。19攝影鏡鏡頭與與望遠遠鏡還還有另另一個個不同同，望望遠鏡鏡看的的東西西都很很遠，，調整整焦距距時移移動量量不大大。一般廣廣角鏡鏡、標標準鏡鏡、望望遠鏡鏡等大大部分分因為為對焦焦而造造成的的鏡片片前後後移動動量與與整個個焦距距相比比的話話，比比值也也都不不大。。因此此焦距與與口徑徑比的比值值變化化也不不大，，也就就是說說F值值變化化不大大，因因而不不大需需要做做曝光光的補補償。。但是微微距鏡鏡不同同，如如左圖圖A中中為微微距鏡鏡對焦焦在無限遠遠處，B則則為對對焦在在近處，此時時可以以發現現鏡片片組向向前移移動，，如果果拍到到1:1時時，鏡鏡片必必須向向前伸伸長一一個焦焦距的的距離離，因因為物物距與與像距距相等等時，，以單單鏡片片而言言，物物距與與像距距皆等等於鏡鏡片的的曲率率半徑徑，也也就是是兩倍倍的焦焦距。。此時成成像的的距離離加倍倍了，，但口口徑並並沒有有變，，因此此F值值變成成了原原來的的2倍倍，也也就是是減了了兩級級，所所以微微距鏡鏡在近近拍時時如果果用測測光表表的話話必須須要視視拍照照的倍倍率來來作曝曝光補補償，，而使使用TTL閃燈燈的話話則不不必，，因為為TTL的的測光光測的的是透透過鏡鏡頭的的光量量。2021因為微微距鏡鏡在較較近距距離拍拍攝時時鏡組組前移移量較較大，，光線線通過過鏡片片的角角度也也有比比較大大的改改變，，會導導致畫畫質的的降低低，故故有些些微距距鏡為為了改改善近近拍時時的畫畫質，，設計計了有有鏡片片的專用延延伸管管，如左左圖的的C，，或者者只有有前組鏡鏡片前前移，如左左圖的的D，，稱為為前組組對焦焦設計計，這這樣通通過後後鏡組組的光光線角角度變變化較較小。。由以上上的說說明應應該發發現微微距鏡鏡其實實在鏡鏡片結結構上上的花花樣是是比較較多樣樣化的的，但但是比比起變變焦鏡鏡而言言，可可能就就相對對簡單單了一一些。。22外加廣廣角鏡鏡或望望遠鏡鏡正規的的廣角角鏡或或望遠遠鏡一一般比比較貴貴，或或是有有些無無法換換鏡頭頭的相相機也也無法法配廣廣角鏡鏡或望望遠鏡鏡，因因此就就有一一種稱稱為附附加鏡鏡的鏡鏡頭，，此種種鏡頭頭有廣廣角與與望遠遠兩種種，附附加鏡鏡本身身雖然然有鏡鏡片，，但是是並沒沒有焦焦距，，也就就是說說不會會有聚聚焦成成像的的功能能，但但是有有調整整進入入鏡頭頭光線線的功功能，，因此此有將將原有有的鏡鏡頭拍拍攝角角度增增加或或變窄窄的能能力。。結構如左左圖，圖圖A是廣角附加加鏡，屬屬於倒伽伽利略結結構，而B圖圖是望遠附加加鏡，屬屬於伽利利略式結結構。一般較較廉價的的是三片片，較高高級的有有更多片片鏡片組組成。一般而言言當鏡片片數越多多成像畫畫質越好好，但是是也不是是絕對，，還要看看原來鏡鏡頭的光光學系統統是否剛剛好與附附加鏡的的光學系系統相合合，所以以購買此此種鏡頭頭時最好好帶原來來的相機機去配，，至少在在觀景窗窗裡面看看起來要要像樣。。以望遠附附加鏡而而言，其其實就是是一個伽伽利略式式的低倍倍數小望望遠鏡。。2324外加近照照鏡以附加鏡鏡而言，，還有一一種近照照鏡也是是屬於附附加鏡，，便宜的的近照鏡鏡只是一片弧形形的單透透鏡，用老花花眼鏡就就可以當當作近照照鏡了，，但是有有些貴一一點的近近照鏡是是像左圖圖B中的兩片片式，是消色色差的鏡鏡片，成成像會比比較好。。用加倍鏡鏡也可以以達到近近拍的目目的，但但是都不不會比正正規的微微距鏡畫畫質來的的好，其其實很簡簡單。外加近照照鏡的原原理其實實就是利利用兩片凸鏡鏡（或兩組組凸鏡））相疊後後可以獲獲得更短短的焦距距的原理理。在像像距不變變的條件件下，焦焦距變短短了，因因此根據據物距、、像距、、焦距等等關係的的公式，，物距也也會變短短，就可可以拍的的更近。。2526一般的外外加近照照鏡分為為#1、、#2、、#3各各號數（（如左圖圖），#1的焦焦距大約約在1m，#2焦焦距大約約是一半半也就是是50cm，#3焦焦距為三三分之一一，也就就是33cm，如果各各號數相相疊，當當然拍的的更近。。如果將相相機鏡頭頭本身的的焦距調調在為無無限遠時時，加上上#1近近照鏡的的最遠對對焦距離離將變為為1m，，使用#2則最最遠可對對焦在50cm，其他他依此類類推，其其實要達達到近拍拍的目的的有很多多，例如如倒接、、對接、、使用近近攝環、、加倍鏡鏡等。27其他近照照器材倒接環一端是鏡鏡頭的接接環，另另一端是是鏡頭前前的螺紋紋（如左左圖A）），倒接接的優點點有二，，一是增增加像距距，一是是倒過來來拍光線線走的角角度與原原來設計計的較為為符合。。對接環則是可以以用兩個個濾鏡環環相對黏黏合，然然後將一一個鏡頭頭倒接在在原來的的鏡頭前前方，好好處是放放大率很很大，而而且也符符合光路路的設計計。左圖B是是一組自自製的對對接環，，用兩個個轉換口口徑的接接環對黏黏，不能能用一般般的濾鏡鏡環，因因為一般般的濾鏡鏡環相對對時黏合合面積不不足。28加倍鏡除除了可以以作為焦距加倍倍之用，也也可以增增進近攝的能力，，因為焦焦距加倍倍，但是是最近對對焦距離離不變，，因而可可以獲得得更大的的影像。。有一種可可以調整整長度的的加倍鏡鏡可以進進一步的的提升近近攝能力力，如左左圖就是是一個可可以伸長長的加倍倍鏡。29近攝環是一種常常見的近近攝裝備備，不過過最好配配合倒接接或是微微距鏡使使用，否否則一般般鏡頭這這樣用，，畫質不不佳。近攝環常常分為不不同的長長度，也也可以組組合使用用。壞掉掉的加倍倍鏡如果果拆掉鏡鏡片也可可當作近近攝環使使用。30鏡頭機械械結構鏡頭中的的玻璃鏡鏡片（塑塑膠鏡片片）是鏡鏡頭的核核心，但但是只有有玻璃片片也沒有有用。有兩個重重要的機機構，就就是光圈圈控制與與對焦機機構。31光圈機構構最簡單的的光圈就就是用紙紙或者薄薄片材料料作成中中空的一一片擋在在鏡頭前前面，但但是實際際上的鏡鏡頭並不不是單鏡鏡片，一一般都是是如左圖圖的鏡片片組，在在鏡片組組中其實實投射到到感光介介質各點點是使用用鏡片組組的不同同區域，，尤其在在小光圈圈時更是是如此。。因此並不不能在左左圖的A位置，，用一片片紙張中中央剪一一個洞來來作為光光圈（那那種一片片或者兩兩片式的的天文望望遠鏡才才可以）），透鏡鏡組的話話，光圈要放在各各路光路路的匯集交叉叉點B。光圈還要要有可以以調節大大小的功功能以便便應付各各種光線線強弱不不同的環環境。每每一級光光圈數字字如1.4、、2、2.8、、4、5.6等等之間間，透過過的光線線是成為為倍數遞遞減，因因為直徑徑比值差差1.4倍，則則面積為為2倍的的關係。。3233早期的光光圈結構構大部分分是如左左圖A、、B，光光圈葉底底下有個個金屬環，環上面面有弧形形的金屬屬片，也也就是光圈葉，光圈葉葉的樣子子如左圖圖E，光光圈葉上上面有金金屬環B，弧形形金屬片片上有兩兩個小圓圓柱狀突突起，一一個卡在在底座上上，一個個卡在上上環的槽槽中，轉轉動上環環弧形金金屬片就就會帶動動光圈葉葉而向內內移動，，每一片片遮住一一點，整整個就會會將邊緣緣遮住，，像左圖圖的C、、D。3435此種結構構的光圈圈葉大部部分用了了很多片片，看起起來中央央的孔比比較接近近圓形，，如左邊邊的圖。。但也有有用直角角彎型的的光圈葉葉，像右右圖。36左圖是由由簡單的的小型自自動相機機上拆下下來的光光圈零件件，可以以看出只只有兩片片簡單的的彎曲形形葉片，，由一個個桿子透透過葉片片上的槽槽來連動動，這是是比較簡簡單的光光圈結構構。37現代的鏡鏡頭為了了自動縮縮光圈的的速度需需求，將將光圈葉葉面積縮縮小，結結構簡化化，減低低摩擦力力，多半半使用了了如左圖圖的結構構，兩個個圓柱狀狀的結構構變得接接近，然然後用內內圈與外外圈來控控制，只只要旋轉轉很小的的角度就就可以控控制光圈圈快速的的開闔。。不管哪種種結構，，光圈葉葉都很薄薄，都是是一片疊疊一片，，原來最最上面的的最後會會疊在最最下面那那一片的的更下面面。底板環上上面的小小孔與光光圈葉上上的小圓圓柱都很很密合，，所以光光圈葉要要拆開簡簡單，要要裝回的的話，要要小心要要耐心，，尤其是是最後一一片，因因為要插插入最下下面一片片的更下下面，一一不小心心折到了了就會有有痕，雖雖然可以以用但是是看來會會很醜，，嚴重折折彎時可可能就不不能用了了，會卡卡住。38光圈葉如如果進了了油就要要全拆開開，當然然原來怎怎麼裝一一定要紀紀錄好，，拆開後後可以用用去漬油油或是清清潔劑洗洗淨，必必要時可可以用軟軟毛刷，，如果用用清潔劑劑，洗完完了要馬馬上擦乾乾並且徹徹底晾乾乾。光圈葉有有一點要要注意：：【不能上油油】。39攝影鏡頭頭的光圈圈機構除除了要縮縮放光圈圈之外，，還需要要有定位的裝裝置，才能方方便的設設定光圈圈位置，，此種定定位裝置置常常是是在一個個環上切切出凹槽槽，另一一邊是彈彈簧（如如左圖A、B）），另外外也有在在一個環環上切出出一串凹槽或是一串圓孔孔