尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第五十六夜

No.56

凹凸2组型变焦镜头的诞生秘闻

Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4

第五十六夜讲述一款在即将发售前被取消的、未曾公布于众的镜头――广角变焦3.5~8.5cm(35~85mm)f/2.8-4。这款在试制阶段被取消的划时代的变焦镜头,有着只用一晚是说不完的奇闻轶事。今晚就为各位揭开Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4的秘密。

佐藤治夫

凹凸(负正)2组型变焦镜头

变焦镜头历史悠久,早在1930年代其研究就已相当盛行。其构思原本并非源于成像系统,而是源于望远镜和转换镜。因此,初期的变焦镜头以远摄型为构思基础。其中值得注目的是1932年问世的Bell & Howell Cooke公司的“Varo”镜头。该镜头为凹凸凹(负正负)的3组结构,采用了当时发明的所有透镜组均移动的变焦方式,是展现了变焦镜头广角化之可能性的发明。变焦镜头的发展主要源于电影镜头,后经电视镜头趋向成熟。到了1940年代,人们都已懂得对于实现变焦镜头的广角化,反远距镜头般的凹(负)透镜在先型较为合适。然而,在影片的世界得到发展的变焦镜头在35mm那样的大格式静止图像的世界却仍无法达到实用水平。日本光学工业(现在的尼康)公司也从较早时期就已开始了研究变焦镜头,但直到1950年代之后研究才取得了成果。1960年,市场上出现了35mm格式静像照相机专用的广角变焦镜头。那就是福伦达(Voigtländer)公司的“Zoomar 36-82mm f/2.8”。这款变焦镜头为凹凸凹凸凸(负正负正正)5组结构,通过第2和第4组凸透镜组联动来改变倍率。虽然这款广角变焦镜头问世时大张旗鼓,但其性能却不免让人觉得有些标新立异。结果,大家都认为35mm格式广角变焦镜头难以在实际中应用。

几乎同一时期,在日本光学工业(现在的尼康)公司,樋口等数人在变焦镜头的研究上取得了进展,并终于发明了广角变焦镜头。估计他们是在1960年(昭和35年)之前就已开始了设计。该镜头的优点在于哪里呢?从理论上讲,变焦镜头至少需要变倍组和补偿组这两组透镜。通常还需要加上主透镜(成像组)和对焦组。但樋口先生却想出了一个主意,那就是让补偿组具有对焦功能,并通过移动整个成像组来改变倍率。总之,他以精简的结构做出了变焦镜头。原本大家都已知道反远距型(凹凸·负正结构)适合于单镜反光照相机使用的广角镜头。因此,凹凸(负正结构)的广角变焦镜头也合乎情理。该镜头的主透镜(具有凸(正)特性的后组)采用的是松纳型结构;再者,具有凹(负)特性的前组几乎都是由凹透镜所构成。综合这两点,樋口先生可能是在标准镜头上安装了广角转换镜,并通过改变两者间的距离想出了改变倍率的方法。

樋口先生的这项发明于1961年(昭和36年)年初开始申请专利,并于1965年(昭和40年)获取了专利权。该发明向国外也申请了专利并于1964年获取了专利权。就是在那一刻,樋口先生的变焦镜头作为一项发明得到了认可。自从有了这项发明,光学仪器制造商都开始了研制凹凸(负正)2组型变焦镜头。让我吃惊的是该2组型镜头的主透镜为松纳型。即使是在现在的设计中,2组型变焦镜头的主透镜仍以松纳型、额诺星(Ernostar)型为较好的选择,较为合理。这就仿佛是樋口先生早已看准了将来的发展方向。可以说,他在初期阶段就已对凹凸(负正)2组型变焦镜头理解得透彻了。

从凹透镜在先型变焦镜头转向凸透镜在先型变焦镜头

研制工作看似一帆风顺的这款凹凸(负正)2组型变焦镜头,在即将实行量产前公司却决定中止其发售。在当時的产品目录中已经登载了照片并印有“即日起发售”的字样。突然间中止发售,到底发生了什么呢?从当時的鏡筒设计师处听说,原因大致可分为两项。其一,凸轮结构的设计不够成熟,无法平滑地变焦。也就是说变焦不稳定并在有些姿势时会发生掉落的现象。其二,体积太大。就是说作为广角、标准系统镜头,其体积太大。这次,我请试制科的专家――宇田川先生按照当时的图纸对仅存的1台试制品进行了检修和再次调整。和当今的设计相对照,在镜筒结构上发现了缺陷。但在我看来这并不算是致命的,而且大小、重量如今也在可容许的范围内。当时可能公司还认为φ86mm的滤镜附件尺寸太大,也算是缺陷,但对于当今的镜头来说这并不出奇。总而言之,这款镜头走在时代的前面了。在1950年代发明了大光圈为f/2.8的变焦镜头。

或许是因为对中止发售受惊不小,樋口先生曾放弃了凹凸(负正)2组型变焦镜头这一大发明的想法,并暂停了研制工作。作为代替,他展开了对另一款同时探讨的凸透镜在先3组型变焦镜头的开发工作。这种拥有凸凹凸(正负正)3组透镜的变焦类型也是一项了不起的发明,于1961年(昭和36年)夏天开始申请专利并于1965年(昭和40年)获取了专利权。其实,这款镜头就是之后被产品化并成为长期畅销产品的Zoom-NIKKOR Auto 43~86mm f/3.5。

很遗憾,在这款凹凸(负正)2组型变焦镜头的开发和发展途中出现了停顿。历史是具有讽刺性的。日本光学工业(现在的尼康)此后发表的凹透镜在先型变焦镜头――Zoom-NIKKOR 28~45mm f/4.5,一直要等到1975年。其间,整整保持了大约15年的沉默。

开发历史和设计师

好,让我们来看看开发历史。

是樋口隆先生,设计了这款Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4镜头。很遗憾我从未见过樋口先生,但有幸通过电话和他会谈过几次。在长年从事光学设计之后,他曾担任了相模原制作所的所长一职。当我在电话中告诉他43-86变焦镜头从多种角度来说是一款令人较为满意的产品时,他在电话的另一头显得格外喜悦。现在回想起来,那真是一段美好的回忆。

很遗憾的是,对于Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4镜头,没人提交过光学设计报告,所以不清楚其正确的设计时期,但仍能通过申请专利、试制历史和量产历史来追溯。在上文中已有提及,该镜头是在1961年(昭和36年)申请的专利,开始量产试制是在1960年4月。由此类推,开始设计应该是在1960年(昭和35年)之前,大约是1959年。该时期早于“Zoomar”的发售日期,因此可以说这款镜头完全是出于独创。试制品通过拍摄等评估于12月发行了评估报告。在当时的记录中印有“转向量产”的字样,公司曾一度决定过量产化,但十分可惜,结果还是作出了中止量产、中止发售的决定。

描写特性与镜头性能

(截面图)

先请看截面图。这完全就是典型的凹凸(负正)2组型变焦镜头的结构。透镜组的结构为由左向右,先是凹(负)的前组,然后是凸(正)的后组。为了校正色差和畸变失真,虽然第1组的第1透镜通过和凸透镜接合而成,但整体上还是属于凹透镜。该组的特征在于由3个凹透镜组成,这个结构真有点可惜。只要在靠近像的侧面添加1个正透镜,错种色差校正便能大有改善。与此相比,后组也很不错。该组透镜以松纳型为基础,在左侧安置2片凸透镜,实现了明亮的光学系统。并且,在靠近像的侧面安置凸透镜也是上策,这样有助于对彗形像差进行校正。对焦则通过伸出负的前组来进行。若能在前组的像侧面添加1个正透镜,则在控制近距离色差变动方面也能起到很大作用。最近对焦距离为1米,较长。这可能也是由于近距离色差变动的影响所致。

接下去让我们通过模拟结果来考察一下色差特性、MTF和点列图。

(处于广角端时)

来看看35mm广角端时的情况。

可以观察到畸变失真很大。大约为-7%,这在当时也算是相当大的数值。此外,像散也较大,并有内向彗形像差出现。优点在于,作为f/2.8的镜头具有良好的球面色差,以及横向色差和彩色慧差得到了较好的校正。后组的松纳结构对球面色差,前组的接合透镜对横向色差和彩色慧差进行了有效地校正。但即便是出自设计先驱樋口先生之手,我也不得不承认该镜头之设计对色差校正得还不够完美。在MTF评估中,对于镜头中心部分显示的数值较为良好,但随着视角的增大,10线对/mm和30线对/mm的MTF值均急剧下降。在实拍时估计会发生杂光以及分辨率降低的情况。

接下去让我们通过点列图观察点光源的成像情况。

中心部分点像的成像效果较好,杂光也较少。随着向边缘延伸,虽然点像仍有中心点,但在弧矢、子午方向上出现杂光。镜头的描写性能应会显得柔和。我在后文中也会提及,通过将光圈缩小到f/8左右便能使这些现象达到实用水平。

现在看看中间焦距50mm时的情况。

畸变失真控制在-2%左右,较为良好。彗形像差也有改善。此外,横向色差、彩色慧差与广角端时一样得到了良好的校正。但是,球面色差校正稍有不足,并有像散残留。校正不足的球面色差具有背景散焦的改善效果,这是较为理想的,而像散则是不良之处。

在MTF评估中,中心部分显得较为良好。10线对/mm的值到中间区域为止属于良好,但在边缘区域下降,而30线对/mm从中间区域开始即为低值。从此结果可以判断,从中心到中间区域为止可以获取一定程度的对比度和分辨率,但边缘区域则会发生杂光并且分辨率会降低。

接下去通过点列图观察一下点光源的成像情况。

令人满意的是点像的成像效果较好,直到边缘区域仍能大致维持圆形。对比度到中间区域为止较高,这也许能达到实用水平。和广角端时一样,只要将光圈缩小到f/8~f/11左右便应能形成相当理想的像。

(处于远摄端时)

现在看看远摄端焦距85mm时的情况。

畸变失真控制在-1%左右,更为良好。对球面色差的校正也不错。横向色差、彩色慧差在广角端时校正得相当不错,但在远摄端时相比之下就稍有增加。此外,像散依然保持较大状态,彗形像差则转为倾向于外向。

在MTF评估中,中心部分显得较为良好。10线对/mm的值到中间区域为止属于良好,但随着从中间向边缘区域延伸而逐渐下降。30线对/mm从中间区域开始即为低值。从此结果可以判断,从中心到中间区域为止可以获取一定程度的对比度和分辨率,但边缘区域则会发生杂光并且分辨率会降低。

接下去通过点列图观察一下点光源的成像情况。

中心部分点像的成像效果较好,但随着从中间部分向边缘延伸,出现典型的外向彗形像差,成像点的外围有呈扇状的大范围杂光。如能在拍摄人像等情况时恰当利用该现象,效果或许会不错。此外,和广角端时一样,只要将光圈缩小到f/11(显示f/8)左右便应能形成相当理想的像。

从总体上说,我觉得这款镜头的设计在全开光圈情况下的确不够成熟。但是,因为横向色差等得到了良好的校正,所以通过缩小光圈便能提高镜头性能。

实拍性能和范例

接下来按照各光圈值来看看实拍的效果。

(1)广角端3.5cm(35mm)

f/2.8(全开)

中心部分的分辨率较高,但随着图像高度的增加锐利度逐渐降低。给人一种不是杂光出现而是丧失分辨率的感觉。虽然边缘部分的分辨率存在劣化,但很少色溢,这一点给人的印象良好。显色清晰,但边缘的光量让人觉得不充分。

f/4~f/5.6

通过将光圈缩小到f/4~f/5.6,从中心到中间部分的锐利度得以提高。边缘部分的图像品质得到提高,但分辨率有所丧失。边缘光量下降方面得到改善。

f/8~f/11

边缘部分的分辨率大有提高。除靠外边缘部分以外,图像品质达到实用水平。经常使用时建议将光圈设置为该值。

f/16~f/22

边缘部分的分辨率有提高,但出现若干衍射的影响,中心附近的分辨率稍有降低。

(2)中间焦距5cm(50mm)

f/3.5附近(全开;显示f/2.8)

从中心到中间部分的分辨率较高,但随着图像高度的增加锐利度逐渐降低。边缘部分的分辨率损失相当大,但比广角端时要好。此外,色溢现象少,显色清晰。

f/4.5~f/5.6

在将光圈缩小到f/5.6时,从中心部分到边缘的锐利度得到提高。除边缘部分以外,锐利度达到了令人满意的实用水平。

f/8~f/11

边缘部分的分辨率大有提高。除了边缘部分稍有下降以外,获得令人满意的锐利度。经常使用时建议将光圈设置为该值。

f/16~f/22

边缘部分的分辨率有所提高。整体画面的描写均匀。略微出现衍射的影响,分辨率稍有损失。

(3)远摄端8.5cm(85mm)

f/4(全开;显示f/2.8)

从画面中心开始出现浅淡杂光和若干蓝色色溢现象。从中心到中间部分的分辨率较高,但随着图像高度的增加锐利度逐渐降低。能够确认到边缘光量稍有不足,但若能恰当运用这一柔焦气氛的描写性能,在拍摄人像时也许能获得不错的效果。

f/5.6~f/8

通过缩小光圈,浅淡杂光的程度得以减轻,从中心到中间部分的锐利度得以提高。除边缘部分以外,图像品质达到实用水平。用该光圈拍摄人像,或许会出乎意料地获得良好效果。

f/11~f/16

分辨率更有提高。能获得达到实用水平的锐利度。经常使用时建议将光圈设置为该值。

f/22~f/32

整体画面的描写均匀。略微出现衍射的影响,分辨率稍有损失。

若要在各焦点位置获取达到实用水平的图像品质,将光圈缩小到f/8~f/11左右估计就能取得良好的效果。若要在边缘部分采用稍柔和的描写,可以尝试缩小到f/4~f/5.6。尤其是在远摄端时,拍摄人像能够获得良好的效果。

接下去让我们通过范例照片来确认一下该镜头的描写特性。

范例1
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于35mm)
光圈:f/11;快门速度:1/250秒
ISO感光度:400
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月
范例2
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于35mm)
光圈:f/11;快门速度:1/400秒
ISO感光度:400
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月
范例3
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于50mm)
光圈:f/8;快门速度:1/500秒
ISO感光度:400
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月

范例1、2是在广角端35mm用f/11光圈拍摄的照片。因为这2张都是背光拍摄的,所以对比度都较低。虽然边缘部分的图像不够清晰,但鬼影少,图像品质也已达到足够水平。范例3是在50mm用f/8光圈拍摄的照片。背景散焦效果作为当时的镜头来说属于良好水平。清晰对焦处的锐利度优良,在整个变焦范围中我认为是较好的。

范例4
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于85mm)
光圈:f/8(11);快门速度:1/400秒
ISO感光度:400 
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月
范例5
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于85mm)
光圈:f/5.6;快门速度:1/1000秒
ISO感光度:400
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月

范例4是在远摄端85mm用f/8(11)光圈拍摄的照片。观察脸部就能发现,边缘部分的图像品质较为柔和。但对于人像拍摄来说,也许处于能够容许的范围之内。范例5是在远摄端85mm用将近最大光圈f/5.6(8)拍摄的照片。我选择了强调散焦效果的构图。虽然背景散焦具有若干双线散焦的倾向,但对于当时的镜头来说,其散焦效果属于平均水平。拍摄对象的脸部位于画面中心。观察脸部和头发的再现性能就能发现中心部分的锐利度较高。

范例6
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于35mm)
光圈:f/5.6;快门速度:1/400秒
ISO感光度:自动 
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月
范例7
尼康Df、Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4(相当于50mm)
光圈:f/4;快门速度:1/1000秒
ISO感光度:自动
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
纵向色差校正:无
横向色差校正:无
渐晕校正:无
拍摄日期:2015年3月

范例6和7是在室内,近距离拍摄的照片。范例5是在广角端35mm用f/5.6光圈在半背光时拍摄的照片。中心附近效果尚可,而边缘部分不够清晰,并能观察到较大的桶形失真。但我却认为这样的图像品质拥有的韵味。这张照片使我感到--镜头的性能在于如何使用。范例6是在50mm用将近大光圈的f/4拍摄的。可以看出,图像品质达到了实用水平。

通过这次实拍,我对这款镜头的易用性、重量和大小都没感到较为满意,并且,图像品质虽不算太鲜明,但已达到实用水品。作为一款1950年代的变焦镜头,是比较优秀的。我再三认为这款镜头未能实现发售真是一件憾事。大家怎么认为呢?

尼康博物馆终于开馆了!

尼康博物馆是什么?在哪里?务请有疑问的读者们在网页上查找一下,并共同前来参观。尼康博物馆于2015年10月17日在尼康总公司前厅楼面(东京品川车站附近的品川INTERCITY C栋2楼)隆重开馆了!这一项目是以公司内外的核心成员为主,作为本公司创立100周年项目业务的一部分展开的计划。其实,我也从开始阶段就开始参与该项目的准备工作,在本职以外尽了一份绵薄之力。我的任务是踏踏实实地从公司内外收集、汇总并保管富有历史价值的物品、资料和记录,并设想和计划博物馆的方案。这项任务让我兴奋不已。博物馆的看点不仅有历史展览,还有尼康的核心技术、尼康的未来姿态以及能与孩子们一起边游玩边学习光学知识的科学实验室。更别忘记,还有未曾公布于众的试制品展览。在这次第五十六夜中讲述到的Auto NIKKOR Wide-Zoom 3.5~8.5cm f/2.8-4也将和著名摄影家阿部秀之先生的作品共同展出。我在此恭候大家的光临!