尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第四十七夜

No.47

高倍率变焦镜头的开创时期

Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S

在第四十七夜中,我们来聊聊各公司倾团队之力开发变焦镜头的时代。那么今夜就让我们解读一下Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头设计者的思路和开发时的秘闻吧。这个镜头的开发到底具有什么样的背景呢?同时,这个镜头具有什么样的表现性能呢?今夜,让我们解开Ai Zoom NIKKOR 35~200mm F3.5-4.5S的秘密。

佐藤治夫

目标,高倍率变焦镜头

1970-1980年代是变焦镜头的全盛期。各品牌都频繁地发表变焦镜头。为什么会有这种动力呢?当然大家的迫切期望是原因之一,但不管怎么说计算机的处理能力飞跃般的提升是主要的原因。在以前的设计过程中,即使设计者有想要尝试的创意,也很难全部付诸行动。但是,到了这个时代,软件也取得了进步,虽然尚不完美,但能够进行相当大量的设计研究。广角变焦镜头和含有标准域的高倍率变焦镜头就是那个时代下的天子骄子。那个时代的高倍率变焦镜头和现在的镜头相比,确实有些相形见绌。但却是当时的设计者运用尖端的技术,竭尽全力努力的结果。在那个时代,尼康领先其他公司,开发了变焦比为约5.7倍的高倍率变焦镜头—Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头。

开发经历和设计者

那么让我们解读一下开发经历吧。设计Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头的是隶属当时研究所中第一研究课的高桥友刀先生。高桥先生设计了数款焦距范围在35mm以上的变焦镜头,其中集大成的就是这款Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头。当时的日本光学工业株式会社(现在的尼康)有两个摄影镜头设计部门。一个是进行尖端镜头开发和光学软件开发的研究所第一研究课,另一个是开发了大多数摄影用尼克尔镜头的光学部第一光学课。当初高桥先生是属于研究所第一研究课的。之后,研究所第一研究课被并入光学部第一光学课,从而诞生了后来的第一光学课。这意味着当时研究所的成员拥有了可以设计摄影镜头的环境。

那么,让我们来解读一下报告书和图纸吧。开发是在1982年开始的,设计完成是在1983年新芽初绽的春天。之后在1983年盛夏完成了试制图纸。然后,经过量产试制,在1984年的冬天开始了量产。作为高倍率变焦镜头,听说在试制和量产方面都遇到了不少困难。在试制方面,面临着制造难度高的高倍率变焦镜头特有的问题。这个问题就是各焦点距离和焦面不一致,清晰度也没法达到想要的程度。关根先生多次反复地计算,精心地修正试制品凸轮,通过这种踏实的方法不断的进行改良。其结果就是修正出令人满意的凸轮并开始了量产。然后,在经历了无数的辛劳之后,经过1985年腊月的奔忙,这款高倍率变焦镜头发售了。

在设计中使用了大型计算机和光学软件来完成设计。但是和如今相比计算机的能力十分乏力,软件也在发展中。对于设计难度高的高倍率变焦镜头,绝对需要相当的智慧和忍耐力。之后,关根先生做出了更进一步的尼克尔镜头。

表现特性和镜头性能

Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S 截面图

请看截面图,这个镜头是常说的正片前置(凸组前置)型变焦镜头。从左开始由同是对焦组的凸的第一组、凹的第二组、具备光圈的第三组、作为主透镜的第四组所构成,即凸凹凸凸式4组变焦镜头。通过变焦,所有的透镜向左侧(物体方向)移动。

各组的结构,是按照理论构成,尤其是作为主透镜组的第四组是变形三元组的发展型。四组之所以有这么多片透镜,正是因为是高倍率变焦透镜。这个凸组前置四组变焦镜头在广角端具有可以缩短整体长度的特征,这种结构对镜头的小型化发挥了作用。

在当时,量产型的优秀的非球面透镜的制造方法还没有确定。此外,变焦透镜的内调焦(内部聚焦)凸轮还没有被开发。因此,对焦必须在倍率变化之前进行,即必须在第一组进行对焦。这种限制很严格,存在着无法缩短最近对焦距离,无法增加周边光量,无法缩小滤光器的尺寸等固有缺陷。在这种限制中,Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头实现了滤光器尺寸为62mm,最近对焦距离为R=1.6m这一规格。这在当时是难得的高水平规格。

那么,Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头具有什么样的描写效果呢。让我们从像差特性和点列图两个方面来考察一下吧。先解读一下设计报告书。仔细观察各焦距的像差值、MTF、点像的话,一眼就能看出当时的高倍率变焦镜头的设计是如何的困难,以及设计者辛劳的印迹。

这个镜头具有什么样的特征呢?先是在广角端35mm的像差特性,球面像差和色差都得到了良好的校正。此外场曲率在负方向产生,非点像差也得到了少许的校正。但是彗形像差在底部大量产生。因此,在周边处的下方方向产生了反射光斑,中心处虽然有,但可以预想会变成柔和的表现效果。此外,由于维持了周边的光量以及将滤光器的尺寸缩小到62mm,失真像差在无限远的距离上大约为-6%这一稍微有些大的值。但是,失真像差随着距离拉近,持续减少,到了最近对焦距离大约减少到-1.6%。作为高倍率变焦镜头的像差校正来说是努力的结果。

在中间焦距处又如何呢?让我们看看标准50mm的像差特性吧。球面像差、场曲率、非点像差等都很小很好。失真像差也得到了改善,大约提高了1.4%。然而,缺点是彗形像到夸张的地步。因此,在周边处的上方方向产生了反射光斑,在中心处虽然也有,但可以预想会变成柔和的表现效果。接着来看70mm的像差特性。在球面像差上,有些过度校正了,从中心部开始就有产生反射光斑的可能性。场曲率、非点像差等都很小很好。色差也很好,但是彗形像差果然还是比较夸张。因此,从中心处开始就有反射光斑,而且在周边处的上方方向产生了反射光斑,在中心处虽然也有,但可以预想会变成柔和的表现效果。

来看看望远端200mm的像差特性吧。球面像差虽然有些曝光不足,但是在数量上很小很好。非点像差虽然很小,但插曲率产生了负效果。彗星像差也很优秀,可以期待均匀的描写。失真像差稍微有些大,大约产生了3%。

在各焦点距离上观察了像差校正的状态后,确实说不上是优秀的像差校正状态,但作为没有先例的高倍率变焦镜头,可以说是设计巧妙的镜头吧。从中可以一窥设计者的辛劳。

下面,让我们用点列图来观察一下点光源的结像状态吧。

在广角端的35mm。在中心部点像的连贯性很好,也看不到反射光斑。但是越往周边去,虽然有中心,但产生了内彗形倾向的彗星形状反射光斑。因此,具有一定的解像感,可以设想柔和的成像效果。

接着看看标准50mm。中心处虽然隐约能看到反射光斑,但结像很清晰。但是在周边部位产生了外彗形倾向的彗星形状反射光斑。虽然有中心,但应该是柔和的表现。

再来看看70mm。在中心部位由于球面像差的影响,从中心处开始就被反射光斑包围着。此外,在周边部位处产生了外彗形像差,多少产生了一些彗星形状反射光斑。画面整体都产生了反射光斑,虽然有中心,但应该是柔和的描写。也许比较适合拍摄人物照。

来看看望远端200mm。在中心部反射光斑很小结像很清晰。此外,因为球面像差有些曝光不足,因此可以预感到美丽的后散焦效果。在周边部位也是反射光斑很少的良好的点像,可以期待均匀的良好的清晰度。

实际拍摄性能和范例

下面让我们来看看实际拍摄效果吧。让我按照焦点距离逐条描述。

(1)广角端35mm时

光圈值F3.5-F4

在中心处具有意外的解像感,但随着向画面周边处去,反射光斑的感觉增加,是线条细腻的表现。四角处反射光斑很多,分辨率下降。但是没有出现色斑,显色很清爽让人有好感。

F5.6-8

随着光圈值缩小,从中心到中间部位为止,分辨感上升,周边的一部分除了四角处都得到了改善。

F11-16

除了四角处,清晰度令人满意。

F22

画面整体都是均匀的表现效果,但由于折射的影响尤其是中心部分的清晰度降低。

(2)标准50mm时

光圈全开-光圈半级

中心处意外地具有解像感,但随着向画面周边处去,反射光斑的感觉增加,是线条细腻的表现。四角处分辨率下降。但是没有出现色斑,显色很好。

光圈值缩小到1级-2级

随着光圈值缩小,从中心到中间部位为止结像都很清晰,除了四角处都得到了改善。

光圈值缩小到3级-4级

清晰的范围进一步扩大,受到折射的影响,中心部位的清晰度降低。

最小光圈值

画面整体都是均匀的描写,但由于折射的影响整体的清晰度降低。

(3)中间焦点距离70mm时

光圈全开-光圈半级

从中心处开始虽然具有解像感,但也有反射光斑,还有少许蓝色的色斑产生。而且,随着向画面周边处去,反射光斑的感觉增加,四角处分辨率下降。整体都是具有反射光斑、柔和的表现。

光圈值缩小到1级-2级

随着光圈值缩小,尤其是中心部分的反射光斑、色斑都消失了,周边部位也得到了提升,除了四角处都得到了改善。

光圈值缩小到3级-4级

清晰的范围进一步扩大,受到折射的影响,中心部位的清晰度降低。

最小光圈值

画面整体都是均匀的描写,但由于折射的影响整体的清晰度降低。

(4)望远端200mm时

光圈值F4.5-F5.6

从中心处开始出现反射光斑,分辨度很低。随着向周边去,反射光斑增加而分辨度进一步降低,也产生了少许色斑。

F8-11

中心处的反射光斑消失,清晰度上升。周边处包含四角的分辨度也得到了提高,图像变佳。

F16-22

清晰的范围进一步扩大,受到折射的影响,中心部位的清晰度降低。

F32(最小光圈值)

范例 1
尼康D700 Ai Zoom NIKKOR
35-200mm F3.5-4.5S
光圈值:F8,快门速度:1/500sec
ISO:200
画质模式:RAW 白色平衡处理:自动
D-采光:自动
图像控制:中间
拍摄日期:2011年3月
范例 2
尼康D700 Ai Zoom NIKKOR
35-200mm F3.5-4.5S
光圈值:F11,快门速度:1/320sec
ISO:200 画质模式:RAW 白色平衡处理:自动 D-采光:自动
图像控制:中间
拍摄日期:2011年3月
范例 3
尼康D700 Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S
ISO:200
画质模式:RAW 白色平衡处理:自动 D-采光:自动
图像控制:中间
拍摄日期:2011年3月

如果想在各焦距都期待具有清晰度,光圈值缩小到2-2.5级别就应该能得到良好的结果吧。此外,如果想要得到适合拍摄人物照的描写,在70-200mm之间,从光圈全开的状态将光圈值缩小1级来进行拍摄也许效果较好。

那么接下来让我们使用范例照片来确认一下表现特性吧。从范例1到范例3都是富士山的定点摄影。范例1是广角端35mm拍摄的范例。光圈值缩小到F8时,周边光量、清晰度都没有问题,具有良好的表现效果。除了周边处以外都具有合适的解像感、对比度,可以了解到是灰度丰富且自然的表现。范例2是在中间焦点距离的80mm拍摄的范例。光圈值缩小到了F11。一直到画面周边处,都具有合适的解像度、对比度,可以知道到是灰度丰富且自然的表现。范例3是望远端附近180mm的范例。光圈值缩小到了F8。从中心部到周边位置为止清晰度很高,很好地再现了富士山的地表。对比度也很好,是灰度丰富的描写。

范例 4
尼康D700 Ai Zoom NIKKOR
35-200mm F3.5-4.5S 光圈值:F5.6,快门速度:1/640sec
ISO:200
画质模式:RAW 白色平衡处理:自动
D-采光:自动
图像控制:中间
拍摄日期:2011年3月
范例 5
尼康D700 Ai Zoom NIKKOR
35-200mm F3.5-4.5S 光圈值:F4.5全开,快门速度:1/400sec
ISO:200
画质模式:RAW 白色平衡处理:自动
D-采光:自动
图像控制:中间
拍摄日期:2011年3月

范例4和5是人物照的范例。范例4是在广角端35mm,光圈值F5.6拍摄的范例。可以看出在合焦时,一直到周边处都具有充足的清晰度。关于散焦效果虽然并没有到恶劣的级别,但多少给人以杂乱的印象。范例5是在望远端200mm,光圈全开时拍摄的范例。在合焦时具有恰到好处的清晰度,尤其是看过头发的再现性,就能了解到图像具有足够的分辨率。此外,散焦效果为渐晕的形状,比较引人注目,有少许表现出二线散焦的倾向。但是,作为那个时代的高倍率变焦镜头来说,我认为应该属于良好的级别。

就如从范例中了解到的那样,Ai Zoom NIKKOR 35-200mm F3.5-4.5S镜头不止是在风景的拍摄上,在人物照的拍摄上也能够运用自如,可以说是一款实用的镜头。