尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第五十三夜

No.53

鱼眼镜头世界

Ai AF Fisheye-NIKKOR 16mm F2.8D

第五十三夜说的是鱼眼镜头的故事。对角线鱼眼镜头是什么样的镜头呢?搭载了近距离校正结构的鱼眼镜头又是什么样的呢?到底具有什么样的表现效果呢?今夜就让我们解开Ai AF FisheyeNIKKOR 16mm F2.8D的秘密吧。

佐藤治夫

“鱼眼镜头”的名字是谁赋予的呢

关于日本光学工业株式会社(现在的尼康)的鱼眼镜头开发历史已经在第6夜中详细记述过,这里就略过不说了。今夜想要考证的问题是“鱼眼镜头”的命名者到底是谁呢?

根据R.W.Wood所写的论文“Fish-EyeViews, and Vision Under Water (Phli. Mag. S6. 12 159(1906))”中的记载,Wood先生使用在针孔和干板之间充入水的照相机拍摄了180°视角的全天空照片。在这篇论文中记述了这个效果宛如鱼在水中看到的外界的风景,于是出现了Fish-Eye这个单词。因此,可以说鱼眼镜头的名称就是来源于此。之后,各光学厂家纷纷追寻鱼眼镜头的学术性意义和技术上的可能性。

这个镜头名为SKY LENS,被称为全天空照相机的始祖。但是令人不得其解的是它的名字。天空镜头(SKY LENS)=全天(空)镜头,并没有用鱼眼镜头这个名字。为什么不见了“鱼眼”这个字眼呢?整个业界在一段时间内,通常使用的是全天空照相机和全天空镜头的名字。那么自称“Fisheye Lens”(鱼眼镜头)的镜头是哪个呢?调查的结果发现,其实或许是从日本光学工业株式会社(现在的尼康)的尼克尔镜头开始的。日本光学工业株式会社(现在的尼康)好像从战前就开始使用“鱼眼镜头”这个词语了。1938年制作的设计图纸上也有标记 “鱼眼镜头”的记录。此外,战后的1958年发售的全天空照相机的镜头上有“FISH-EYE NIKKOR”的印记。根据这个记录,我认为现在被国际上认定的“Fisheye Lens” 或“鱼眼镜头”是由日本命名的可能性很高。

全画面鱼眼和对角线鱼眼

鱼眼镜头分为全画面鱼眼和对角线鱼眼两个大类。原来鱼眼镜头是出于学术性的目的而制作的镜头,使用在艺术写真领域是后来的事。全画面鱼眼镜头能够将覆盖180°视角(或更多)的圆形图像成像于像平面上。主要用于气象观测、星象、极光观测等目的。此外,还用于确认汽车驾驶座的视野,在开发死角较少的汽车上也起到了一定的作用。同时,由于鱼眼镜头图像的形变比较有特点,渐渐摄影家们也开始使用了。但是在照片拍摄时,常常因为圆形的构图而很难处理。

于是,降低学术用途上的重要性,主要用于拍摄照片而被设计出来的就是对角线鱼眼镜头。一开始的对角线鱼眼镜头是1963年旭光学工业发售的鱼眼18mmf11。以这个镜头为开端,各公司都制造出了对角线鱼眼镜头。尼康也发售了对角线鱼眼镜头——鱼眼尼克尔16㎜F3.5。之后是AF鱼眼尼克尔16mm F2.8D,续写着代代相传,一路前行的尼克尔历史。

开发经历和设计者

那么接下来,让我们解读一下它的开发经历吧。

自卖自夸有点不好意思,设计了Ai AF 鱼眼尼克尔 16mm F2.8D的正是本人,当时我28岁,青春犹在。当时的我对鱼眼镜头的精微深奥很感兴趣,以AF化为契机我承担了鱼眼镜头的开发任务。距今约23年前,我们开始了设计开发。完成设计是在1991年(平成3年)的初夏。之后,1992年(平成4年)开始了试制,然后经过试量产,于1993年(平成5年)的夏天开始正式量产,接着,做好准备开始发售是在同年的11月。这款镜头在到2014年的21年中一直畅销不衰。

表现特性和镜头性能

截面图

请看截面图。这个镜头也和其他鱼眼镜头一样采用的是典型的焦点后移类型结构。与普通的广角和广角镜头不同的地方是,它并没有采用抑制负失真像差产生的结构,而是采用了使其过度产生的镜头结构。在设计广角镜头时,障碍是对失真像差的良好校正。

这点在旁轴相机的年代,使用的是镜头折射力配置接近对称的“对称型镜头”。这个对称型镜头在失真校正、场曲率校正这些地方超过了焦点后移型镜头。但是在鱼眼镜头上,考虑到一般的投影方式(y=f·tanθ)的情况下,只能使负失真过度产生。因此,可以说鱼眼镜头原本就是适合于焦点后移型的镜头类型。

那么接下来说一说关于这个镜头在设计上的特征。大家是不是注意到整个光学系统的结构简单。为了使负失真过度产生而设计了第1、2凹透镜。使其具有强的负折射力的同时,只以凹透镜构成合适的凸凹透镜形状,从而使光线顺畅的通过,抑制像差的产生。通过其背后的接合透镜对球面像差、彗形像差、色差进行补正。插入了光圈的后组的结构也很简单。凭借两组接合透镜,控制住了轴上和轴外各个像差的产生,一直到周边为止都保持住了稳定的表现性能。

值得一提的,是作为那个时代鱼眼镜头采用了“近距离校正法(浮动性法)”这件事吧。关于至今为止的鱼眼镜头不存在近距离校正观点的理由,容我稍后再述,而其产生的效果实现了从无限远到近距的均质性及高清晰度。

那么,AF鱼眼尼克尔16㎜F2.8D具有什么样的表现效果呢?让我们从像差特性、MTF和点列图来研究一下吧。这个镜头在像差上的特征是,球面像差之小自不必说,在场曲率的平坦性上更是优秀。即使是在MTF的评估中,10根/㎜、30根/㎜都是直到周边为止都维持了很高的对比度再现性。此外,这个画质和近距离像差校正(浮动)结构的采用相辅相成,从无限远到近距都能够维持良好的性能。

接下来,通过点列图来观察点光源的成像状态。

中心部位点像的聚集很好反射光斑也很少很好。但是,随着向周边去虽然还有中心,但在弧矢像面方向出现了少许反射光斑。作为鱼眼镜头来说是很少量的,但在拍摄天文照片时缩小1、2段的话能得到好的效果。

研究鱼眼镜头的物体面和像面之间的关系

鱼眼镜头的物体面到底该如何考虑呢?当时只有28岁的我对此持有很大的疑问。这个基本性且根本性的主题是为了得到高画质必须面对的课题。在鱼眼镜头的情况下,在无限远处的被摄体可以考虑成是以扩展到天空的半圆形球面为物体面。但是在无限远的情况下,因为不管哪个地方都是合焦的,所以也可以考虑成光是从无限远方的平面被摄体处投射下来的。无限远被摄体的情况下,则无需太过注意物体面的形状。但是,如果摄影距离从无限远处不断趋近而变成有限距离的情况下又如何呢?在近距离处又如何呢?这种思考和定义的方法很重要。究其原因,是因为依赖于物体面和像面之间关系的定义的话,照片的画质会发生变化。普通的窄角镜头的情况下,物体面和像面的关系视为平面对平面。但是在视角大于180°的鱼眼镜头上,将物体侧视为平面时,就会产生了原理性的问题。比如被摄体存在于3m的位置处时,画面中心部分在3m的距离处存在有被摄体,但视角180°的光线的被摄体又在哪里呢?答案是无限远的地方。

这样的话物体面这一思考方法就行不通了。更何况当视角大于180°时,需要更加复杂的研究。于是,当时我们从多种观点进行研究、分析后,形成了两个假设。一个假设是在近距离被摄体的情况下也和无限远一样,是半圆形状球面这一观点。设想上是很大的半圆形渐渐靠近的状态。这么考虑的话周边光线和中心部分在同一距离处成像,很容易解释。此外,另一个假设是,物像间的关系还是定义为平面对平面,视角大于180°的部分视为奇点的思考方法。假设1的被摄体为半圆形状的物体面时,通过像体伸出这样的普通对焦方法可以很容易推导出像差上的解释。但是,这样真的能做出具有良好表现效果的鱼眼镜头吗?对于拍摄镜头来说不还是应该以平面物体作为基准吗?当时我怎么思考,都无法明确地判断出那个才是正确的。于是我向上司青野先生请求,让我将两种解释都通过试制来进行验证。于是,前所未有的,对近距离性能也很重视的鱼眼镜头的开发就此启动。

设计对无限远处具有高性能的鱼眼镜头。然后,考虑了将物像间的关系视为平面对平面时对应的近距离校正法(浮动法)。针对这种设计方法和半圆形状被摄体,对可保持场曲率的两种方案进行了试制评估。这个试制品进行了设计上的考量,彻底排除近距离校正结构以外的不同。我们使用这两个试制品进行了很多的试验、实际拍摄和数据分析。那时的实际拍摄记录照片还保留了下来,请大家看一下。有A、B两张照片,这两个都是展示的在0.3m的摄影距离下拍摄的平面分辨率图的右半部分。自都是左侧中央为镜头的中心。因此,右角处为致大视角。照片A的镜头为具有近距离校正结构的试制品。照片B为没有近距离校正结构的,对半圆形状的被摄体具有平坦场曲率的试制品。大家觉得哪个拍的比较好呢?差别很明显。

场曲率范例和近距离校正

平面对平面的想法获胜了。这个瞬间,对近距离性能也很重视的鱼眼镜头诞生了。

实际拍摄性能和范例

下面让我们看看实际拍摄结果吧。让我将各个光圈分条叙述。

F2.8光圈全开

比较而言,中心处更具解像感,但随着像高的增高,清晰度渐渐降低。但是,即使是周边处也是具有实用性的画质。此外,渗色很少。显色也很清爽。

F4-5.6

随着光圈缩小到F4-5.6的范围,从中心部分直到周边处清晰度得到了提高。除了周边少许部分都达到了令人满意的清晰度。

F8-11

周边处的解像感瞬间大幅提高。几乎整个领域的清晰度都能令人满意。经常使用的话这个光圈值是较理想的。

F16-22

画面整体都是均匀的表现效果,但受到了少许折射的影响,损失了少许解像感。

期待清晰度的话,在F8-F11的光圈值下使用的话应该能得到良好的结果。

此外,如果想要在周边处以稍微柔和一些表现来拍摄的话,试试F2.8-4比较好。

那么接下来,让我们用范例照片来确认表现特性吧。

范例1是东京站的半圆形屋顶。由于使用了高灵敏度进行的拍摄,产生了高灵敏度干扰,请谅解。我想大家都能看出清晰度和颜色的再现都很良好。同时,也没有明显的颜色偏差,感觉不错。范例2是街角的快照。焦点自身与较近距离的被摄物对焦,可以确认的是从近距离到远距离都能拥有充分的清晰度。范例3拍摄的是东京都厅的范例,是中心部分为远景周边部分为近景的构图。保持了清晰度。范例4是完全逆光的范例。太阳在画面上部边缘的地方。通常情况下的话,是重影和反射光斑容易出现的条件,但没有产生显眼的重影。鱼眼镜头的情况下,晴天时,某处太阳映入的较多而重影和反射光斑产生的较少的这款镜头比较便利。看过各范例后,我想大家能够了解,虽然在设计上比较陈旧,但即使是现在也是实用性很高的镜头。

具有大视角的鱼眼镜头是哪个?

范例 1
尼康Df Ai AF FisheyeNIKKOR 16mm F2.8D
光圈值:F11
快门速度:1/80 sec
ISO:5000
画质模式:RAW
白色平衡处理:自动
D-照明:自动
图像控制:标准
拍摄日期 2014年4月
范例 2
尼康Df Ai AF FisheyeNIKKOR 16mm F2.8D
光圈值:F11
快门速度:1/320 sec
ISO:800
画质模式:RAW
白色平衡处理:自动
图像控制:标准
拍摄日期 2014年4月

这回要说的是视角的故事。摄影镜头的大视角,到底能大到什么地步呢,大家难道不感兴趣吗?我感兴趣,因此调查了有关文件和专利。于是,在吉田正太郎老师名为《摄影师专用摄影镜头科学》的书中找到了答案。根据记录,荷兰国立防卫研究会议(简称NDRC)的A.C.S.V.希尔等3人发明的12.3mmF10中尺寸胶片用鱼眼镜头竟然有2ω=270°的视角。不知道是实际制作出来的还是只存在于纸上的发明。

接下来让我们找找实际制造出来的,现存的视角大的镜头吧。大家想起了哪个镜头呢?

范例 3
尼康Df Ai AF FisheyeNIKKOR 16mm F2.8D
光圈值:F11
快门速度:1/800 sec
ISO:400
画质模式:RAW
白色平衡处理:自动
D-照明:自动
图像控制:标准
拍摄日期 2014年4月
范例 4
尼康Df Ai AF FisheyeNIKKOR 16mm F2.8D
光圈值:F11
快门速度:1/1000 sec
ISO:400
画质模式:RAW
白色平衡处理:自动
D-照明:自动
图像控制:标准
拍摄日期 2014年4月

正确答案是1969年制作的SAP鱼眼尼克尔6.2㎜F5.6镜头。是一款使用非球面透镜以等立体角投影法覆盖了230°的鱼眼镜头。虽然没有量产,但至今仍然有几个现存于世。那么为什么需要230°的视角呢?这个原因是人的眼睛的视野达220-230°。为了将人眼的视野完全收入到一张照片中开发了视角230°的鱼眼镜头。这个镜头的SAP是等立体角投影的简称。为了准确地实现该等立体角投影采用了非球面透镜。