尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第六十一夜

No.61

在AF系统确立之前肩的的变焦镜头

Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S

第61夜讲述在AF(自动对焦)系统确立之前的变焦镜头――Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S。当时尚处于F3的时期,Ai-S镜头群之主要课题在于实现变焦镜头的高倍率化和小型化。今晚,我想和大家一起来探索隐藏在其中一款采用不同镜头类型设计出的镜头――Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S中的秘密。

佐藤治夫

Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S的变迁

先来追溯一下Ai 变焦尼克尔50~135mm f/3.5S的变迁。该镜头作为当时Ai系统镜头以Ai-S冠名,发售于1982年4月。时期正值尼康F3相机的时代。此后,时代步入AF期,在汹涌的竞争浪潮中Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S未能实现AF化便逐渐销声匿迹。其后继机型35~135mm f/3.5~4.5进化为广角端从35mm开始的标准高倍率变焦镜头。因此,Ai 变焦尼克尔50~135mm f/3.5的销售期约为2年,仅经过一个机型即被换代。就尼克尔镜头而言,该周期可谓相当之短。

开发历史和设计师

设计Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S光学系统的是曾在第31夜中介绍过的我的师傅――林清志(Hayashi Kiyoshi)先生。这款镜头的光学设计报告提交于1981年,试制图纸发行于1980年12月。据林先生本人回忆,着手设计是在1980年春。1982年初夏开始实施量产,并终于在1982年11月发售。

镜头结构与特征

图 1

请看Ai 变焦尼克尔50~135mm f/3.5S的截面图(图1)。恕我谈一些较难的内容。这是一款正负负正(凸凹凹凸)4组变焦镜头。有些读者也许不太熟悉,该镜头的镜头类型是被称为“山路型”的变焦方式(类型)。图1中的左起第4至第6透镜为变倍组的凹透镜组,而紧跟其后的凹凸双合透镜即是该镜头颇具特征性的凹补偿组。本来,由中村先生发明的正负正正(凸凹凸凸)无焦变焦类型的镜头曾是公认的远摄变焦镜头(请参考第42夜)。即使是现在的大口径远摄变焦镜头,基本上也仍采用着这种无焦变焦类型。这种无焦变焦类型从原理上说易实现大型化,却不适合实现广角化。“山路型”正是对这种无焦变焦类型作出的挑战。现在,让我通过图示说明一下山路型的特征。请看图2和图3。

图 2
图 3

图2是正负负正(凸凹凹凸)山路型变焦镜头的模式图。图3是中村先生的正负正正(凸凹凸凸)无焦变焦类型镜头的模式图。两者的结构都是从左到右布置了对焦组、变倍组、补偿组和主透镜组。通过大幅度移动变倍组来变焦,并通过补偿组来补偿对焦点的移动。很显然,变焦倍率越大就需要更多的镜头移动距离,镜头体积也越大。值得注目的是补偿组的移动轨迹。无焦变焦类型的补偿组以凸面朝着像场(右侧)移动,而山路型则以凹面朝着像场移动。因此,较之无焦变焦类型(图3),山路型(图2)的“d3”间距更小。这意味着实现小型化的可能性。然而,这一理论存在着一个大陷阱。山路型的变倍组和补偿组凹凹相叠,因此需在补偿组后方布置强凸性透镜来大幅度曲折光线才能成像,以致主透镜的凸透镜结构庞大。这就枉费了可以缩短总长度的可能性,所以山路型优劣并存,未必都能实现小型化。然而,山路型隐藏着可能性的特征在于变倍组和补偿组皆为凹透镜组,也就是说变倍组的凹性能可以加强。此特征还利于对佩兹伐和数实现优化。洞察力强的读者现在或许已能领悟到了。对,这种镜头类型适合实现广角化。Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S之所以能将广角端缩短到50mm的秘密便在于此,但要实现更进一步的广角化,还得数凹透镜在先型或第1凸透镜组移动型变焦镜头。在我看来,山路型在35mm画幅变焦镜头中逐渐成为一种不常见的镜头类型,其原因也许就在于第1透镜组移动的凸透镜在先型变焦镜头类型的发明。在必需具备高倍率化和总长度固定的电视摄像领域,山路型却取得了成功。现今,大部分用来拍摄视频的高倍率变焦镜头都采用了这种山路型镜头结构。在拍摄视频的镜头中,这已是一种标准的镜头类型。

我曾询问林先生,为何在高倍率变焦创始期的镜头中采用了这种镜头类型。他回答当时是出于技术上的好奇心和想验证山路型的可能性及其限度。结果,他设计出的高倍率变焦镜头不仅光学性能良好,而且体积也不太大。然而,山路型镜头只设计了这一款。林先生提到,原因在于主透镜部分的结构上需要花费相当大的精力,而且作为35mm画幅的镜头也无法获得期待中的小型化效果。不仅如此,在实现进一步广角化方面也很困难。林先生通过这项设计领悟到了此镜头类型的临界点。偶然是很奇妙的东西,林先生的好奇心成就了这款尼克尔中较为罕见的变焦镜头。

接下去看一看Ai变焦尼克尔50~135mm f/3.5S的色差特性。先来看广角端50mm时的特性。可以发现,该设计使像散在人像范围得以减少。这一透镜组伸出型对焦方式或多或少存在着一些近距离色差变动。关键在于如何巧妙地留下残存色差。林师傅不愧为经验丰富的设计高手,设计出对锐利度弊害少,且考虑到时间、地点及场合的像差平衡设置。这样的设计要归功于他年轻时的摄影兴趣爱好。广角端的球面色差几乎为完全收集,而近距离色差变动则几乎没有,如同是光学教科书上范例般的模范形状。此外,彗形像差良好,对彗形像差的色泽不准也控制得相当巧妙,达到无可非议的水平。畸变约为-3.9%,虽然数值稍大,但桶形失真的形状较规范,易于进行图像处理。再来观察中间焦距90mm附近的特性。球面色差在无穷远处略微校正过度,呈脇本平衡,而近距离时则向负侧变动。这样的像差平衡在拍摄风景时稍稍收缩光圈便能获得鲜明的效果,而在拍摄人像时能呈现良好的散焦效果,好比是脇本平衡的典范。值得一提的是,横向色差、彗形像差以及彗形像差的色泽不准得到了巧妙地校正。可以说,这是一款在当今数码时代也能发挥功效的镜头。彗形像差校正得不错但仍有若干内向彗形像差倾向残存。不论是球面色差、色差还是彗形像差,都如同远摄镜头的色差平衡一般。尤其是无穷远处的色差形状,犹如以林先生等前辈们研发的Ai尼克尔300mm f/2.8为代表的尼康内部对焦型远摄镜头一般。林先生定是熟练掌握了这种设计方法。不同之处在于近距离色差校正的倾向。通过对焦使凸透镜组向前延伸,因此色差,尤其是球面色差向负侧变动。对拍摄人像或物体来说,这反倒是良好的倾向。

接下去观察一下点像的情况。这款镜头在所有焦距都呈现出同样的点像倾向。若能在各焦距获得同样倾向的点像特性,那么即使进行变焦,图像品质间的差异也会很少不谐调。这是一种创新的设计思维。弧矢彗差受到了良好的控制,且点像呈三角形,但少有杂光。中央部分虽有若干杂光包围却有中心点,且接近理想形状。这是一款能“将点拍摄成点”的镜头这款镜头让我受益匪浅。

好,让我们来观察一下MTF。10线对/mm、30线对/mm的对比度作为f/3.5的变焦镜头属于良好水平,尤其是10线对/mm的MTF,在所有区域、所有像高中为较高值。这也可理解为是很少杂光的点像特性。林先生的意图也许就在于此。30线对/mm的MTF,尤其是人像范围,直到边缘部分都较均匀。远摄端在近距离时变得柔和,散焦效果也在近距离时具有更加良好的倾向。

实拍性能与范例

接下来让我们来看一下实拍结果。这些结果根据各光圈进行列举,相关评价出于我个人主观感受,希望大家作为意见来参考。

广角端50mm时

f/3.5全开光圈

中央部分虽有杂光,但从中心到边缘分辨率都比较均匀。虽然分辨率不算太高,但图像品质工整,能给人带来好感。色溢现象少。

f/4~f/5.6

将光圈收缩到f/4时,中央部分的杂光消失,对比度上升。收缩到f/5.6时,锐利度直到图像边缘部分都有提高。

f/8~f/11

整体画面描写均匀。尤其是对比度有了大幅度提高,使图像显得有些生硬。在所有光圈中,f/8~f/11具有良好的图像品质。拍摄风景照时建议使用f/11。

f/16~f/32

整体画面描写均匀,但分辨率下降。尤其是f/22~f/32,分辨率因衍射影像有所损失。

中间焦距85mm时

f/3.5全开光圈

杂光稍有增多,从50mm起描写比较柔和。分辨率从中心到边缘部分都较均匀。虽然分辨率不算太高,但图像品质工整,能给人带来好感。在该位置色溢现象也较少。

f/4~f/5.6

通过将光圈收缩到f/4,杂光变少,对比度上升。收缩到f/5.6时杂光几乎消失,锐利度直到边缘部分都有改善。

f/8~f/11

整体画面描写均匀。尤其是对比度有大幅度提高,却不失柔和感。在所有光圈中,f/11具有良好的图像品质。拍摄风景照时建议使用f/11。

f/16~f/32

整体画面描写均匀,但分辨率下降。尤其是f/22~f/32,分辨率因衍射影像有所损失。

远摄端135mm时

f/3.5全开光圈

杂光稍多,描写较柔和。分辨率有些偏低。描写倾向仍较工整,能给人带来好感。在该位置色溢现象仍然较少。

f/4~f/5.6

通过将光圈收缩到f/4,分辨率有所增加。收缩到f/5.6时杂光几乎消失,锐利度直到边缘部分都有改善。

f/8~f/11

f/8时锐利度突然上升。整体画面描写均匀。尤其是对比度有大幅度提高,却不失柔和感。在所有光圈中,f/11具有良好的图像品质。拍摄风景照时建议使用f/11。

f/16~f/32

整体画面描写更加均匀,但分辨率下降。尤其是f/22~f/32,分辨率因衍射影像有所损失。

若要追求锐利度,使用f/8~f/11应能取得良好的结果。此外,拍摄人像时建议使用f/3.5~f/4之间的光圈。
接下去通过范例照片来确认这款镜头的描写特性。
为正确判断镜头特性,对这次的范例照片我也特意未进行横向色差校正、纵向色差校正和渐晕校正,也未强调锐利度和轮廓。

范例1
尼康D800、Ai尼克尔50-135mm f/3.5
光圈:f/3.5全开
快门速度:1/125秒
ISO感光度:1000
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
拍摄日期:2016年11月

范例1是在广角端50mm用全开光圈f/3.5拍摄的照片。脸部与头发所呈现的锐利度给人带来好感。脚部附近的落叶鲜明。散焦效果稍生硬,但勉强没有产生双线散焦。对比度平衡良好,描写令人较为满意。

范例2
尼康D800、Ai尼克尔50-135mm f/3.5
光圈:f/5.6
快门速度:1/125秒
ISO感光度:1500
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
拍摄日期:2016年11月

范例2是在60mm附近用f/5.6拍摄的。锐利度充足,头发与大衣的纤维得到了良好的再现。散焦效果也较规范,给人带来好感。

范例3
尼康D800、Ai尼克尔50-135mm f/3.5
光圈:f/3.5全开
快门速度:1/200秒
ISO感光度:500
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
拍摄日期:2016年11月

范例3是在85mm附近用全开光圈f/3.5拍摄的。这款镜头因变焦产生的描写差异少,具有稳定的锐利度。可惜的是散焦效果稍稍生硬,有双线散焦倾向出现,但就当时的变焦镜头而言已经算是优秀了。

范例4
尼康D800、Ai尼克尔50-135mm f/3.5
光圈:f/3.5全开
快门速度:1/125秒
ISO感光度:1000
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:自然
拍摄日期:2016年11月

范例4是在远摄端135mm用全开光圈f/3.5拍摄的。清晰对焦的眼睛和头发呈现舒适的锐利度,给人带来好感。远摄端散焦效果较规范,双线散焦的倾向也变得较小。