尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第六十二夜

No.62

高倍率变焦镜头的起源

尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5

在第58夜中曾作过介绍,增大变焦倍率是变焦镜头发展的核心之一。设计师们设计应用范围广的镜头之热情永无止境,现在市场上已有AF-S DX尼克尔18-300mm f/3.5-5.6G ED VR、AF-S尼克尔28-300mm f/3.5-5.6G ED VR等变焦倍率超过10倍的变焦镜头。今晚,我要谈一谈尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5这款可谓是高倍率变焦起源的镜头。这款或许为用于照片相机的高倍率变焦镜头是如何诞生的呢?

佐藤治夫

尼康变焦8

先来谈一下该镜头发售时的时代背景。

这款50-300mm发售于1967年,是继第4夜中讲述的尼克尔变焦自动43-86mm f/3.5(1963年发售)之后的第4款(如果加上未能发售的35-80mm f/2.8-4,则为第5款)镜头。当时用于尼康F相机的广角镜头除了弹起反光板安装的21mm f/4和鱼眼镜头以外,只有35mm f/2.8、35mm f/2和28mm f/3.5。在50-300mm发售半年之后24mm f/2.8才走上市场。那么,在单反相机可更换镜头的黎明期,拥有6倍变焦倍率的镜头又是怎样研发出的呢?这款镜头的设计师是设计了包括43-86mm在内的早期尼克尔变焦镜头的樋口隆先生。当时,在公司内大家有口皆碑。他接连不断地设计了多款变焦镜头。接下来回溯一下这款镜头发售之前的1962年左右的情况。

当时的尼康(日本光学),除尼康F等35mm画幅照相机外还并列生产并销售8mm画幅电影摄影机。与现在的摄像机相同,用户对8mm电影摄影机的变焦功能之期待远远高于35mm画幅照片相机。回应了该期待之声的就是发售于1962年的尼康变焦8电影摄影机。尼康变焦8在小型机壳中内置8-32mm的4倍变焦,以其优秀的设计和性能获得了相当高的评价。设计这款镜头的正是樋口先生。樋口先生在完成与这款8mm电影摄影机同时进行的43-86mm镜头的设计工作之后,立即开始对尼康变焦8的设计实施改进。

不久,樋口先生便完成了大幅提高变焦倍率的8mm电影摄影机用镜头的设计,并着手试制。该镜头经过多次更改设计,终于在1966年作为尼康变焦8的镜头得以发售。这款镜头的设计数据启发了樋口先生对于35mm画幅高倍率变焦镜头的设计构思――只要使用该变焦类型,即使是35mm画幅也定能实现理想的高倍率变焦!就这样,樋口先生在设计8mm电影摄影机用镜头的同时开始了50-300mm镜头的设计工作。

50-300mm

然而,35mm画幅变焦镜头的设计并不简单。与8mm摄影机用镜头相比,虽在设计上具有f值可稍大的优势,但用于35mm画幅镜头的图像尺寸大约为6倍(与尼康变焦8相比),因此单纯地增大变焦倍率,色差将太大而无法达到实用水平。起初完成设计的镜头经过试制发现其基本性能不足,因此不得不再次设计。试制的结果表明,尤其是色差校正不够理想。即便是曾经设计过4款35mm画幅变焦镜头、识多见广知的樋口先生,开始设计35mm画幅高倍率变焦镜头也一定是困难重重。此后,经过连年大幅度修改镜头结构,再次设计,试制和评估,终于在第3次试制品时达到了令人满意的性能。那已是完成该项设计的契机--8mm摄影机用镜头的设计大约3年以后的事情了。

镜头结构

图 1
照片 1
照片 2

让我们来看看设计出的镜头结构。图1是尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5的镜头截面图,角的照片1是50mm变焦位置时的镜头外观;照片2是300mm变焦位置时的镜头外观。
这款镜头由具有正折射力的第1组、具有负折射力的第2组以及具有正折射力的第3和第4组构成。虽为凸凹凸凸4组变焦类型(现仍被用作高倍率变焦镜头的变焦类型),其特征性移动方式却不同于其他4组变焦类型的镜头。

向远摄端变焦时,第1组和第3组作为一个整体向物体侧伸出,第2组通过凸轮向像侧移动,而第4组为固定。现在的4组变焦镜头,所有透镜组都移动,且各透镜组分别移动,而这款镜头实质上仅两个透镜组移动,且通过凸轮移动的只有第2组。采用这一结构的理由在介绍43-86mm的第4夜中曾经提到过。与43-86mm镜头相同,那是由于考虑到了当时的制造精度,所以才将移动的透镜组数量控制在了较小的程度。

为有效提高变焦倍率,樋口先生想方设法不仅将各透镜组的移动量控制好,还能有效地进行色差校正。由于这款镜头采用只通过前3组的移动进行变倍,并在像侧放置第4组的结构,所以前3组只需控制由变焦产生的色差变动即可。由第4组调整通过前3组未能完全得到校正的整体色差平衡,提高了整个变焦范围的性能。此外,第4组还起到增大焦距的望远倍率镜的作用。有了这第4组,非但减小了各透镜组的移动量,而且实现了镜头整体的小型化。

正是对于该4组变焦结构的发现,启发了樋口先生的上述设计构思。由于该结构在远摄端时第1组向物体侧移动(广角端时总长度较短),因此可减小前组的口径;通过添加第4组,即使将第1组和第3组作为一个整体移动也能控制由变焦产生的色差变动;利用第4组的望远倍率镜效果可在增大变焦倍率的同时实现镜头整体的小型化。该4组变焦结构真可谓是一个一举四得的构思。高倍率变焦镜头就是这样设计完成的。

镜头的描写特性

和往常一样,让我们通过光学仿真和实拍结果来观察一下这款镜头的描写特性。
仿真结果的惊人之处在于该镜头虽为6倍变焦,与43-86mm镜头相比,由变焦和距离产生的色差变动却被控制得相当小。例如,此类变焦镜头难以避免的畸变虽在50mm侧呈桶形产生,并在300mm侧呈枕形产生,但其量比43-86mm镜头小,被校正到了与当今销售的变焦镜头同等的程度。此外,各焦距时伴随对焦距离产生的性能变化也被控制在较小的水平,让我体会到了设计技术的进步。

再来观察各焦距时成像性能的变化。
50mm广角端时,桶形畸变有些明显。球面色差和纵向色差得到了良好的校正,画面中央附近从全开光圈时便应可获得鲜明的图像。画面边缘则受横向色差和残存的外向彗形像差的影响,呈现柔和的描写效果。范例1使用50mm焦距并将光圈收缩到了f/11,因此没有受到彗形像差的影响,呈现鲜明的图像。然而,即使收缩光圈横向色差仍然存在,因此在该范例中色泽不准现象也稍明显。顺便说一下,当安装在尼康的数码相机上时,横向色差会被自动校正,所以在普通使用场合下不会很明显。范例1是特意在显影原始图像时将横向色差校正设为了关闭,因此才稍明显。

这款镜头虽和第60夜中介绍的AI 50mm f/1.8焦距相同,但重约2.3kg,因此较难轻松地手持拍摄快照。一般情况下需安装在三脚架上进行拍摄。

范例2是使用105mm焦距和全开光圈拍摄的照片。

范例1
照相机:D700;镜头:尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5;变焦位置:50mm;光圈:f/11;ISO:200;光圈优先自动;使用捕影工匠显影
范例2
照相机:D700;镜头:尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5;变焦位置:105mm;光圈:f /4.5;ISO:200;光圈优先自动;使用捕影工匠显影

当焦距为105mm时,畸变改变为稍呈枕形,横向色差和外向彗形像差消失,在整个变焦范围都展现出良好的描写效果。背景散焦虽具有若干双线散焦的倾向,但我认为其良好的描写效果即使和当时刚推出的镜头相比也不逊色。

范例3
照相机:D700;镜头:尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5;变焦位置:135mm;光圈:f /4.5;ISO:200;光圈优先自动;使用捕影工匠显影
范例4
照相机:D700;镜头:尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5;变焦位置:300mm;光圈:f /4.5;ISO:200;光圈优先自动;使用捕影工匠显影
范例5
照相机:D700;镜头:尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5变焦位置:300mm;光圈:f /8;ISO:200;光圈优先自动;使用捕影工匠显影

范例3是使用135mm焦距和全开光圈拍摄的照片。当焦距为135mm时,横向色差较小而彗形像差则具有内向彗形像差的倾向。与105mm时相比,画面边缘的杂光让人感觉有些增多。将光圈收缩到f/8,彗形像差即可得到大幅改善。有枕形畸变产生却并不太明显。散焦形状较为不同,虽不算优美但我个人认为与105mm时的散焦效果相比稍柔和些。

焦距从135mm改变到200mm后,远摄镜头难以避免的纵向色差开始增大,在远摄端300mm时达到很大程度。而在远摄端300mm时彗形像差的倾向消失,单色的成像性能有所提高。范例4和5是分别使用全开光圈和f/8,以300mm焦距拍摄的照片。在用全开光圈拍摄的范例4中,即使是清晰对焦的部分也让人觉得杂光较多;在略微虚焦部分中,花瓣边缘的淡蓝色着色现象比较明显,但在将光圈收缩到f/8拍摄的范例5中则变为相当不显眼,呈现出舒畅并富有透明感的描写效果。

由于这是一款大型镜头,边缘部分的光量较为充足,因此即使是全开光圈,边缘光量下降现象也很少。但是,在50mm和300mm焦距时的至近对焦距离下都会如范例4般有些引人注意。该问题可像范例5那样通过将光圈收缩到f/8左右来解决。

比尼康变焦8晚一年,这款尼克尔变焦自动50-300mm f/4.5于1967年走上市场。虽因体积较大,价格较高等原因未能引起爆发性畅销,但在体育和自然摄影领域获得了好评。1975年,该镜头后来成为尼克尔变焦50-300mm f/4.5,具备了多层镀膜和不同的外观,2年后的1977年又作为AI尼克尔变焦50-300mm f/4.5开始继续销售。

其实,尼康于同年(1977年)还发售了该镜头的改良版AI尼克尔变焦ED 50-300mm f/4.5,因此有人认为该镜头已没有继续销售的必要,但反过来考虑,与AI镜头的ED版50-300mm并列销售证明了这款镜头的人气和实力。ED 50-300mm不仅通过采用低色散镜片克服了该镜头的缺点(色差),还将总长度缩短了45mm,是一款为拓宽高倍率变焦镜头之可能性作出贡献的高性能镜头。有机会的话我也想向大家介绍一下这款低色散 50-300mm镜头。