尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第四十六夜

No.46

广角变焦镜头的起源

Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4

今夜要介绍的是如今的广角变焦镜头的基石—Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4镜头。

大下孝一

广角变焦镜头的难度

回顾过去的尼克尔一千零一夜故事时,就会发现介绍变焦镜头的次数很少。在过去的45回中,除了COOLPIX那回,介绍变焦镜头的次数只有6回。这和以前的镜头中很少有变焦镜头也有一定的关系。至于广角变焦镜头,更是在第十五夜佐藤先生介绍了(new) Zoom NIKKOR 28-45mm F4.5以来的第二次登场。在再次调查了尼克尔的历史后发现了一件令人惊讶的事情,这款1979年发售的25-50mm镜头是第十五夜中介绍的28-45mm的直接的后续机型,在此期间,包括28mm在内的广角变焦镜头一个都没有发售。开始发售标准变焦镜头的24mm镜头变得理所当然,现在发售的14-24mm F2.8大口径超广角变焦镜头让人感觉恍如隔世。

自动设计

通过导入电子计算机,计算时间得到了戏剧性的提升,这一点意义重大。在使用对数表和手摇式计算的时代,与计算1面的折射就需要5分钟的20世纪40年代相比,提升了千倍甚至万倍的计算速度,对镜头的设计手法带来了质的变化。这就是名为“自动设计”的手法。这种手法简单来说,就是让镜头面的曲率和间隔各自产生微小的变化,制成各像差变化量的矩阵表,以这个表为基础,用计算机求出能够使各像差减少的曲率以及透镜间隔。换句话说,将曲率和间隔作为参数,让计算机解出只着眼像差数的联立方程。

但是,和镜头中可以变化的曲率和间隔的数字相比,需要控制的像差值要多得多,因此并非是严谨解出的方程式。想要控制的像差反而变大了,性能变好了但镜头的形状变得奇怪之类的,果然镜头设计是连续反复试验这一事实还是没有改变。即使是这样,以前只是凭借设计者的品味和灵感的反复试验中的一部分,由计算机代为高速处理对设计者来说还是一件好的事情。通过导入电子计算机和采用自动设计的手法对数据进行处理,将设计变焦镜头所需的庞大的计算量和反复试验的时间,缩短到可以实现的范围中。

2组结构的变焦镜头

广角变焦镜头的难点还有一处。就是很难找出合适的变焦镜头。请大家阅读一下第四夜,介绍的是1963年发售的Zoom NIKKOR Auto 43-86mm F3.5镜头。这个镜头的变焦结构类型为第1组凸透镜、第2组凹透镜、第3组凸透镜所构成的3组变焦镜头。不错,变焦整体的功率配置变成了三元组的结构。三元组结构被称为能够对包含色差在内的诸多像差进行校正的最小的结构。是镜头的基础。将镜头系统整体配置凸、凹、凸的透镜,是将像差的校正变得简单的有效的做法,设计者樋口先生也肯定是在对这种三元组结构的效果熟悉的前提下,才进行这个镜头的设计的。正因如此,43-86㎜镜头虽然是在没有自动设计年代设计的变焦镜头,却能够达到实用的性能。但是这个凸透镜先行的3组变焦镜头也有缺点。这个缺点就是越是广角化前镜片就会越变得巨大化。正因如此,可以预想到再进一步的广角化是很困难的。

另一方面,已经成为现今广角变焦镜头基础的2组变焦镜头又如何呢?2组变焦镜头是通过改变第1组凹透镜组和第2组的凸透镜组的间隔来改变焦距的。在广角一侧第1组和第2组的间隔变宽,在望远一侧则变窄。在广角一侧,由于变成了焦点后移结构,可以说是有利于广角化的结构。虽然结构上变简单了是件好事,但由于变焦镜头的配置不具有三元组的结构,因此对于变焦所造成的像差变动的控制也变得困难。

2组结构的变焦镜头是如第四夜最后所写的,在1961年发表却没能发售的Auto NIKKOR WIDE-ZOOM 35-80mm F2.8-4镜头。樋口先生在着手于2组结构变焦这种划时代发明的同时,为什么在43-86mm镜头上又采用了3组结构的变焦结构类型呢?我想这是因为2组结构变焦存在潜在的像差变动校正困难。事实上在看了35-80mm镜头的设计资料后,就发现从望远到广角,随着变焦的下降,具有很大非点像差的变动和失真像差的变动。在广角一侧性能的低下也是发售中止的一部分理由吧。产生这个问题的原因是各组,尤其是第1组的透镜配置,没有成为能够自由控制第1组透镜产生的像差的结构。包含第2组变焦透镜的凹组先行型广角变焦镜头的发展,只能等到电子计算机登场了。

Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4

照片 1

下面终于到了这个镜头的故事了。担任设计的是水谷典雄先生。他跟随第十五夜中登场的中村先生设计了许多变焦镜头。设计是从28-45mm镜头进行发售的时期开始,在1976年2月完成的。然后经过确认性能的试制品和量产试制品,在1979年进行了发售。

照片1展示的是镜头的外观。结构是如图1的镜头截面图所示,是由第1组的4片,和第2组的7片所构成的2组结构变焦镜头。

在第十五夜介绍的28-45mm镜头,是3组透镜变焦的结构,对在变焦时产生的像差变动进行了校正,但该镜头中第1组透镜的结构很豪华,通过第2组变焦透镜的结构来控制像差变动。我想让大家将其与28-45mm镜头的第1组结构进行一下比较。在28-45mm镜头中第1组是由3片透镜所构成,该25-50mm镜头是由凹凸凹凸的4片透镜所构成,而且整体都是加厚的结构。这个第1组透镜的厚度和透镜的配置是重点。当第1组中含有凸凹凸三元组的结构时就能够自由自在的控制包含失真在内的各像差,而作为第2组变焦透镜缺点的变焦时产生很大像差变动也能够被抑制。这个第1组的结构可以说是全部由球面透镜所构成的在广角变焦镜头中具有少的透镜片数,之后的Ai AF Zoom NIKKOR 24-50mm f/3.5-4.5S镜头也沿袭了这一结构。

此外2组透镜的结构在以三元组结构为基础的同时,还引入了松纳型结构的思想。凹透镜的前侧设置4片透镜,后侧设置2片透镜的非对称型结构良好的校正了球面像差,同时完美的校正了广角变焦镜头附带的桶形失真像差。在后来设计的镜头中,这种2组透镜的结构被稍微简略化了,但思想都是一样的。樋口先生发明的广角2组变焦镜头在经过近20年的岁月后达到了完成的境地。

镜头的表现

范例 1
Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4 Nikon D700 焦点距离25mm 光圈F8 A-auto ISO200

范例是使用D700拍摄的。虽然是30多年前的镜头,但装在D700上在设计性上也很合适。和大口径中望远镜头一样,由于是偏大型的镜头,安装在高级相机上平衡性比较好。这个较长的全长,在结构上变为“内部变焦”的缘故,第1组的透镜和镜筒前端的止动螺丝(72mm)是相互独立的在内部运动。因此,第1组透镜后退时从中间焦点距离到望远一侧,镜筒前端起到了遮光罩的作用。和良好的涂层相辅相成,重影少且透明度高的成像效果是它的特征。

首先,让人吃惊的是失真像差少。即使是在桶形失真最大的焦点距离25mm的广角一侧,也不次于单焦点的镜头。水谷先生并没有因为是“变焦镜头”而有所妥协,而是采用了和单焦点镜头相同的基准。范例1是在这个镜头的25mm一侧,光圈值为F8的情况下拍摄的范例,半逆光的大楼群被清晰地捕捉到了。

其次,在广角一侧的反射光斑之少和对比度之高也较良好。2组变焦结构因为变焦中含有光圈的2组透镜会发生移动,在原理性上广角一侧会比较明亮,望远一侧会比较昏暗。但是这个镜头却通过使用变焦使得光圈值产生变化来维持F4的明亮度。在光学性上就如使用F2.8-4的镜头一样,水谷先生也因为像差的统一而遇到不少困难吧。然后在广角一侧,将光圈值缩小一段的效果是反射光斑一下子减少了,对比度得到了提升。

范例 2
Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4 Nikon D700 焦点距离25mm 光圈值F4 使用A-auto ISO200 Nikon Capture来进行D-采光处理
范例 3
Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4 Nikon D700 焦点距离50mm 光圈值F4 使用A-auto ISO200 Nikon Capture来进行D-采光处理
范例 4
Ai Zoom NIKKOR 25-50mm F4 Nikon D700 焦点距离50mm 光圈值F4 使用A-auto ISO200 Nikon Capture来进行色调校正

范例2是在焦点距离25mm的广角一侧,光圈全开的F4时拍摄的夜景。画面及周边处由于彗形反射光斑和场曲率的影响能够看出像的散焦,但画面的主要部分都是对比度很高的描写。由于使用DX格式的照相机不在拍摄的范围,使用D300等相机的话在光圈全开时在整个画面应该能得到舒畅的拍摄效果吧。这些彗形反射光斑和场曲率在F5.6时大幅度减少,在F8是几乎看不出来了。周边光亮在广角一侧光圈全开时在四角处的下降还是很明显的,从这个意义上来说也是将光圈值缩小到F8至F11的范围来使用比较好。顺便说一下,这个周边光量的低下在将焦点距离推拉至28mm到35mm的范围时,即使在光圈全开的状态下也变得几乎不太明显。

另一方面,在望远一侧的50mmF4因为是如字面所示的“光圈全开”的状态下来使用,所以在整个画面能够看出球面像差造成的很少的反射光斑。在设计资料上也能看出球面像差被过度校正了,这就造成了反射光斑的产生。请看范例3。这是和范例2相同的拍摄场所,改变了焦点距离,使用50mmF4拍摄的照片。从画面的中心处可以看到对窗户照明的渗透,在画面周边部分,这个再加上弧矢彗形反射光斑使其产生了椭圆形的畸变并扩展出去。但是这个像差平衡在实际使用时却让人很有好感。因为这个渗透产生了柔和的表现效果。

范例4是使用50mmF4光圈全开拍摄的山茶花的特写。有了这种少许的渗透,将花柔和的表现了出来,感觉到生命气息的不是只有我一个吧?只是,就如观察画面中央左侧能够看到的美丽的环状散焦一样,后散焦稍微有二线散焦的倾向,可能会有让人介意的场景。这个二线散焦和反射光斑是因为同一个原因而产生的,因此当光圈值缩小到F5.6时会消除,除了画面四角处以外都是没有反射光斑的图像。