尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第三十五夜

No.35

具备内置减震装置的镜头

Ai AF VR变焦尼克尔ED 80-400mm f/4.5-5.6D

今晚谈一下尼康具备减震(Vibration Reduction=VR)装置的可更换镜头――Ai AF VR变焦尼克尔ED 80-400mm f/4.5-5.6D。该镜头实现了用户们渴望不使用三脚架便能轻松拍摄夜景、运动和风景照片的梦想。减震(VR)装置是什么?是由谁研发的?在这款具备了减震机构的可更换镜头中究竟隐藏着怎样的巧匠工艺呢?今晚,就让我来逐个揭开其中的秘密。

佐藤治夫

具备内置减震装置的照相机

尼康Zoom 700VRQD

内行的读者想必知道,这款相机就是产于1994年4月的尼康Zoom 700VRQD。由于体型较大,且作为轻便型相机价格高昂,因此未能成为畅销产品,但它却是一款拍摄效果良好的相机。不仅如此,当时,它还是一款较好地解决了轻便型照相机之大难题――“失焦及照相机震动”的照相机。据我了解,尼康内部在那时已有了“VR机构正是适合轻便型相机的功能”这一认识。的确,那年头不使用单反相机的一般用户才需要兼顾拍摄效果和价格且轻便的照相机。

什么是减震(VR=Vibration Reduction)功能?

有关详细说明,大家可参考尼康的产品目录以及市场上众多的指南书。在此,我仅就原理作简单说明。

先来考虑一下什么是照相机震动。“照相机震动”指的是按下快门的那一瞬间,同时也将照相机按向下方,导致所拍图像中的拍摄对象主要出现上下移动(正确地说,可能会向三维各个方向移动)的现象。当快门速度较低时容易产生该现象。减震镜头通过多个内置角速率传感器侦测照相机震动,并朝着消除照相机震动的方向移动部分镜片以抵消图像的移动。

因此,重要环节在于如何侦测照相机震动的正确方位与量,并高精度地传达给位移镜片以及如何控制位移镜片的性能退化。由于是对部分光学系统相对光轴进行上下移动(位移),所以镜片位移时会产生由镜片偏心导致的色差。如何抑制这些色差;如何研发出尽可能不产生色差的镜头结构和镜头类型即是关键。

开发历史

接下来回顾一下Ai AF VR变焦尼克尔ED 80-400mm f/4.5-5.6D的开发历史。该镜头的光学设计完成于1997年,试制图纸完成于次年2月。此后经过多次的试制、验证实验和实拍测试,终于发售于2000年11月。担任光学设计的是当时第一光学部第一光学小组的青木正幸先生。青木先生在2001年举办的光学设计研究小组的学会发表会上发表了这款镜头。

描写特性与镜头性能

图3. Ai AF VR变焦尼克尔ED 80–400mm f/4.5–5.6D

先请看镜头截面图。这款6组变焦镜头为凸透镜组在先型,由6个透镜组组成。第1透镜组负责对焦。设计师用相对像场保持固定的透镜组来作为第2组(凹透镜组;从左起第2组)。这便是该设计的高明之处。

固定第2组尤其会对设计的自由度带来限制,却能形成适合VR的结构和机构。这款镜头的VR组仅由第2组的部分透镜组成,配合角速率传感器所侦测的位置进行上下位移以起到减震作用。

VR组主要使用穿过光轴附近那一部分的主光线,并通过这种方法减少了VR系统启动时产生的像散和偏心彗形像差。就这一点而言,这款镜头的结构同时适合于广角端和远摄端。因此,该镜头在VR系统启动时的性能退化较少,实现了稳定的光学性能。此外,这款镜头共使用了3片低色散ED玻璃(第1组中2片,第3组中1片)。第1组的ED玻璃对广角端的横向色差起到校正作用,并为远摄端的纵向色差带来巨大的校正效果,而第3组的ED玻璃则主要对广角端的纵向色差起到校正作用。

让我们从(1)设计值和(2)远景实拍结果、范例这两方面来考察这款镜头的描写特性。在设计值方面,广角端的纵向色差、横向色差都较少,达到良好水平,且像散、场曲也较少,同样达到良好水平。如果硬要指出缺点,那就是有若干彩色慧差残存,但这也可通过略微收缩光圈来得以改进。此外,虽有桶形失真,但对此级别的变焦镜头而言属于标准水平。其次,远摄端引人注目的特征是纵向色差少。与广角端同样,像散、场曲也较少,达到良好水平。如果硬要指出缺点,那就是有若干彗形像差残存和呈现枕形失真这两点。然而,这些也与广角端同样,对此级别的变焦镜头而言可算是标准水平。

接下去从远景实拍结果和范例进行考察。广角端在全开光圈时虽能获得充分的锐利度,但画面边缘部分的对比度略有降低。将光圈收缩到f/5.6~f/8时,对比度及分辨率均能得到提高,形成良好的图像品质。将光圈收缩到f/11~f/16时,整体画面呈现均匀的描写,形成对比度优秀的图像品质。从f/16左右开始,因受衍射的影响锐利度逐渐降低。在f/22~f/32之间时该影响显得更为显著。远摄端从全开光圈时即能呈现优良的色差校正效果,形成就此级别的变焦镜头而言属于良好水平的分辨率及对比度,而且着色少,能获得令人满意的图像。将光圈收缩到f/8~f/11时,尤其是对比度能得到提高。将光圈收缩到f/16~f/32时,虽然整体画面呈现均匀的描写,但因受衍射的影响锐利度逐渐降低。

范例 1
范例 2
范例 3

范例1是使用比较靠近广角端的中间焦距和接近全开光圈拍摄的照片。从人物描写以及足球的立体感可以发觉图像具有锐利度。范例2是使用远摄端和全开光圈拍摄的照片。从人物描写和衣服上的文字可以发觉图像具有锐利度。此外,就此级别的变焦镜头而言,散焦效果也较良好。

拍摄范例3时我注重了拍摄时机。镜头内置减震机构的优点在于因能在取景器中确认减震的效果,所以易于进行构图和对焦。这是一项重要的功能。尤其是在拍摄运动照片时,考虑到拍摄对象有晃动,通常我们采用高速快门。因此,在这种情况下原本就较难产生照相机震动。相比之下,通过取景器观察时拍摄对象必需呈静止状态,这样才能更正确追踪四处移动的拍摄对象并实现恰当的构图及对焦。在这点上,镜头内置减震机构起到了较大的作用。在拍摄运动会或足球比赛等照片时,其效果不仅对职业摄影师,对我们业余摄影者也是帮助甚多。拍摄范例1至3时,我特意选择了运动的拍摄对象。尤其是范例3,这正是一张注重了构图和拍摄时机的照片。通过这些范例照片可以看出,具备内置减震机构的镜头是相当方便的。