尼克尔镜头——“一千零一夜”故事

第六十三夜

No.63

套装镜头的基本款、由少镜片数组成的变焦镜头

AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G

第63夜我想谈一谈AF变焦尼克尔28-80 mm f/3.3-5.6G,这款确立起镜头套装销售方式的AF(自动对焦)照相机的常用变焦镜头。当时时值2001年,胶卷相机的销售方式正趋于成形。尼康发售了与当时时代风潮相符的价格适中的高性能照相机“尼康 U”。从那时起“标准变焦镜头套装”这种相机销售方式慢慢地确立起来了。作为结果,与相机机身配套购买时的镜头价格,估计有时会要低于单独购买时的一半。市场上开始称这种成套销售的镜头为“套装镜头”。今晚就让我们来看看这款AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G镜头中的秘密。

佐藤治夫

“标准套装”镜头的变迁

配套销售相机机身和镜头的销售方式之前就有,将相机机身和50mm f/2或50mm f/1.4等定焦镜头成套销售的方式并不罕见。本来,若不是可更换镜头相机便不可能单独销售机身与镜头,因此用户们也普遍认为机身理应和镜头一起销售。然而,既然可更换镜头相机的机身和镜头可以分开,那么机身和镜头就能够进行各样的组合选择。正因如此,购买可更换镜头相机时,考虑机身与镜头的组合也算是一种乐趣。在这样的背景下,为消除用户在购买时的犹豫,制造商们开始推出各自推荐的组合――“标准套装”,而被选作这些“标准套装”的镜头逐渐被人们称为“套装镜头”。随着变焦镜头不断进化与成熟,“标准套装镜头”不久也变化成“标准套装变焦镜头”。原本搭配定焦镜头的销售方式,到了1984年前后逐渐演变成了搭配变焦镜头。这与设计、生产技术的进步有着相当大的关系。因为从那时起,各制造商开始有能力研发出兼备小型化、低价格化和高性能化的变焦镜头。在此后的1991年左右又成功地研发出量产型非球面镜片,为标准变焦镜头更进一步的高倍率化、广角化和高性能化作出了贡献。在已迈入数字化时代的2017年现在,标准套装的组合样式层出不穷,甚至有可谓是回归原点的搭配定焦镜头的套装也再次出现在市场上。

研发历史和设计师

不瞒大家说,设计AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G这款镜头光学系统的就是我。林清志(Kiyoshi Hayashi)先生是凹凸2组变焦镜头设计的泰斗,我从他手中单独接收下了尼克尔标准变焦(套装)镜头的设计、开发工作。到这款AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G为止,我曾经历过多款镜头的研发工作。今晚就让我们来回顾一下该镜头的开发历史。

有人认为早的套装变焦镜头是43-86mm变焦,但在我看来,不论是尼康还是其他公司,确立起套装销售样式是在进入AF(自动对焦)时代之后。就尼康而言,早的应是1986年由林先生设计,与尼康F501相机配套销售的Ai AF变焦尼克尔35-70mm f/3.3-4.5S。我继林先生之后在1992年研发了复合型非球面镜片,并同时设计和研发了Ai AF变焦尼克尔28-70mm f/3.5-4.5D。为进一步追求小型、轻量、低价格化,又于1993年研发出使用非球面镜片、6片结构的Ai AF变焦尼克尔35-80mm f/4-5.6D,还在1995年同时研发了Ai AF变焦尼克尔28-80mm f/3.5-5.6D和Ai AF变焦尼克尔35-80mm f/4-5.6D这两款镜头。1999年,我作为研发团队主管监制了Ai AF变焦尼克尔28-80mm f/3.5-5.6D,并在21世纪的2001年3月独自设计、研发了就标准变焦镜头而言由少镜片数组成的6组6片,轻量的AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G。这款镜头于1999年2月着手设计,1999年3月提交光学设计报告。之后立即得到了研发预算,于1999年6月完成并发行了试制图纸,并于同年8月开始量产试制。当时这可算是进展速度快的研发项目。该镜头在2000年10月进入量产阶段,并比尼康U相机稍晚一段时间于2001年3月发售。这种由同一级别中少镜片数组成的光学系统、6组6片结构凹凸2组变焦类型的镜头结构于1992年在日本国内,并于1994年在国外取得了专利许可。

镜头结构与特征

图 1

请看AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G的截面图(图1)。这是一款精简的尼康传统镜头类型负正(凹凸)2组变焦镜头。负的前组由少数量的2片透镜(1片具有非球面的凹透镜和1片凸透镜)组成,可进行消色差。正的后组可以说基本上为凸凹凸的三合透镜配置,但并非单纯的凸凹凸。将初的凸透镜分隔开以亮度,还起到将主点向前方移动的作用。因此,是凸凸凹凸4片透镜的额诺星型结构。这一额诺星型结构即该镜头的特征所在。额诺星型正是适合负正2组变焦镜头的主透镜,且由少镜片数组成的精简的方案。大家或许会考虑,为何不将镜片数从4片再精简到3片呢?若将该额诺星型前方的2片凸透镜改换成1片非球面透镜,不就能校正球面色差和下方彗形像差了吗?换句话说就是让三合透镜结构“瘦身”的想法。但我们要知道,额诺星型前方的2片凸透镜不仅对球面色差和彗形像差进行校正,还起着产生正的畸变,将主点向前方(物体侧)移动的作用(即为所谓的远摄型)。因此在现实中只要对1片非球面凸透镜进行弯曲以使主点向前移动,便难以达到良好的色差校正平衡。非但如此,前组还得为此付出代价――不单是后组,连前组的主点也不得不更向后移动,以致前组的结构和弯曲也会受到限制。那么,为什么必需要将前组的主点向后,后组的主点向前移动呢?那是为了变化的空气间隔以进行变倍,并实现尽可能大的变焦倍率。以往的f/4左右光圈、1.5~2.5倍变焦倍率的35mm画幅变焦镜头至少需要7片镜片,尼克尔却突破了7片的障碍。

镜片是“必要之恶”

年轻时我曾得到过各位前辈关于光学设计的教导。我被其中的一句话――“镜片是必要之恶”所吸引,并始终尽力以必要的低程度、少镜片数的结构进行光学设计。为什么呢?那是因为根据某些使用方法,镜片对特定的色差具有 “校正能力”,但同时也会“产生”其他色差。因此,设计师们容易陷入将增加镜片数量的设计方案作为解决方案而陷入无法良好校正色差的困境。或许我们可将增加镜片数量认为是一种“进化”,而减少镜片数量则如同自然法则中的“退化”一般,具有舍去无用功的意义。镜片表面是反射面,所以多1片镜片就会增加2个反射面。结构中的镜片数量越多,眩光也随之增多,以致拍摄效果越发不“清晰”,因为反射面增多将导致鬼影增多。有人会说,用好的镀膜不就行了吗?答案很简单,镀膜改良得再好也无法使反射率成为零,而减少1片镜片便能使2个面的反射率成为零。大家是否有过这样的经验?――乍看色差性能不佳的2组6片结构的达格(多普勒消像散镜头)或3组3片结构的三合透镜,其拍摄效果却优于6组7片的高斯型。这就是由镜片数量的差异所造成的“清晰程度”的不同。如果置换成数值,那就是T值的差异。由镜片数量增多导致的“清晰程度”的良否是无法通过MTF来评估的。因此,我在设计时常使用接合透镜,尽可能抑制结构中的镜片数量。很明显,在色差特性相同的条件下,结构中的镜片数量少的镜头效果却较好。此外,结构中镜片数量少还能带来“小型化”、“小口径化(滤镜等)”以及“低价格化”这些正面的副产价值。综合上述各点,我也是要称镜片是“必要之恶”。

光学特性

接下来看看AF变焦尼克尔28~80mm f/3.3-5.6G的色差特征。先观察一下广角端28mm时的情况。

在球面色差方面,呈现出若干收集不足的完全收集形状。这在当时已可算是残存量较少的了。设计该镜头时注重了像散和场曲。到像高的8.5成(全画面的85%左右)为止,竭力通过靠近弧矢面和子午面来消除像散差。除此之外,还设法抑制了产生弧矢彗差。因此,设计不仅考虑到了优良的点光源还原能力,还关注到了良好的散焦效果。但是,畸变较大,在无穷远时约产生-4.8%。虽然如今我们能通过图像处理来轻松地进行修正,但当时还是胶卷时代,畸变就是该镜头的弱点所在。

中间50mm时的情况又怎样呢?球面色差呈完全收集形状。在像散和场曲方面,到像高的7成(全画面的70%左右)为止,竭力通过靠近弧矢面和子午面来消除像散差,但仍有较大的场曲残留。畸变在50mm时几乎消失。具有彗形像差小,因视角不同产生的点像形状差异少的特征。弧矢彗差相当小,所以点光源还原能力优良。在我看来,若要追求锐利度,可在50mm左右稍稍收缩光圈进行拍摄,这样便能获得较为满意的图像品质。

远摄端时的情况又如何呢?球面色差呈现出与通常相反弯曲的收集不足形状。彗形像差的形状具有内向倾向,有中心点并由杂光包围。畸变也在1%以下。具有色差平衡为良好的特征。虽然点像有内向彗形像差的杂光,但考虑到了能够获得良好的光学三维描写特性。对焦处对比度稍低,却达到了具有中心点,且散焦效果良好的平衡。

夸张点说,设计该镜头时,广角端以清晰和均匀为目标,远摄端以人像为中心考虑三维描写特性以达到令人满意的图像重现效果。

套装镜头也必需具备“尼克尔精神”

我认为,价廉、大批量生产的套装镜头,其质量尤为重要。初学者较多会购买价格合理的套装相机。与这些相机配套的尼克尔镜头对这些用户来说是他们使用的尼克尔镜头。与此同时,这些尼克尔镜头对他们来说可谓是代表了尼克尔镜头的“一切”。因此,越是套装镜头,越必需维持尼克尔应该有的高质量和高性能。在我看来,套装镜头的研发人员更应持有这样的使命感和责任感,而且应该常备不懈,正如历代尼克尔设计师们所作的那般。

实拍性能与范例

接下来让我们来看一下实拍效果。这些效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28mm时

f/3.3全开光圈

中央部分较鲜明且不太感觉得到杂光。从中心到边缘分辨率都比较均匀,分辨率、对比度均达到实用水平。分辨率虽不算太高,但让人感到图像维持良好状态。仅边缘处有杂光,分辨率稍低。几乎没有色溢现象。

f/4~f/5.6

通过将光圈收缩到f/4,对比度和分辨率便从中心到边缘均有上升。收缩到f/5.6时,锐利度到更外围处都有提高。

f/8~f/11

整体画面描写更均匀。尤其是分辨率得到提高,形成令人较为满意的图像品质。f/8~f/11在所有光圈中图像品质佳。拍摄风景照时推荐使用f/11。

f/16~f/22

整体画面描写更均匀,但分辨率明显下降。尤其是f/22~f/32时,分辨率因衍射的影响而有所下降。

中间焦距50mm时

f/4.5全开光圈

分辨率到边缘处都较均匀,锐利度维持着实用水平,但边缘处稍有杂光,描写较柔和。虽然分辨率并不显著高,但图像品质端整并具好感。该位置的色溢同样也较少。

f/5.6~f/8

通过将光圈收缩到f/5.6,杂光减少,且对比度升高。感觉整体画面的锐利度更有提高。f/8时杂光几乎消失,对比度到边缘都保持良好状态。f/8光圈时图像品质较好。

f/11~f/16

整体画面描写均匀。尤其是对比度大幅度得到提高。f/16时,分辨率因衍射的影响而有所下降。

f/22~f/29

描写均匀,但分辨率因衍射的影响而有所下降。

远摄端80mm时

f/5.6全开光圈

从中间部分起虽然杂光较柔和,但不失分辨率。端整的描写倾向仍具有好感。边缘处因杂光影响使得锐利度显得不足。对焦点的色溢少,但有时散焦中会出现若干着色。

f/8~f/11

f/8时杂光消失,分辨率提高,给人的印象良好。对比度并非其强,色阶重现性高。f/11时整体画面的描写变得均匀。f/11光圈时图像品质较好。拍摄风景照时推荐使用f/11,而拍摄人像时使用全开光圈f/5.6或许效果会更好。全开光圈f/5.6时,拍摄效果与前一代的高斯型镜头相接近。

f/16~f/32

整体画面描写更均匀,但分辨率下降。尤其是f/22~f/32时,分辨率因衍射的影响而有所下降。

在上述任何焦距位置,若要期待较高的锐利度,使用f/8~f/11的光圈应能获得良好效果。而拍摄人像时,使用80mm左右的焦距利用全开附近的光圈即可。

接下去通过范例照片确认一下描写特性。

为了判断镜头的特性,这次的范例也特意未进行横向、纵向色差校正,未采用的锐利度、轮廓强调设定。

范例1、2、3是分别利用相当于广角端28mm、50mm和远摄端80mm焦距拍摄的远景实拍照片。优化校准使用的是低对比度的“自然”,光圈使用的是常用可能性高的f/8。

范例 1
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于28㎜)
光圈:f/8;快门速度:1/800秒;曝光补偿:-0.7EV
ISO感光度:100
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:2017年6月
范例 2
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于50㎜)
光圈:f/8;快门速度:1/800秒;曝光补偿:-0.7EV
ISO感光度:100
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:2017年6月
范例 3
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于80㎜)
光圈:f/8;快门速度:1/640秒;曝光补偿:-0.7EV
ISO感光度:100
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:2017年6月

为显示阶层次,拍摄时使用了低对比度。可以发现,各焦距时都未出现图像劣化并拥有较为充分的锐利度。

范例4
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于28㎜)
光圈:f/3.3全开;快门速度:1/200秒
ISO感光度:100
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:人像
拍摄日期:2017年6月

范例4是利用28mm焦距和f/3.3全开光圈拍摄的照片。照片拥有充分的锐利度并良好地重现出头发、草木和花丛的形象。

范例5
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于50㎜)
光圈:f/4.5全开;快门速度:1/125秒;使用了闪光灯
ISO感光度:100
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:人像
拍摄日期:2017年6月

范例5是利用50mm焦距、f/4.5全开光圈拍摄的照片。这张照片维持着稳定的锐利度,效果清晰给人带来好感。可惜的是,散焦效果略生硬了一些。

范例6
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于70㎜)
光圈:f/5.3全开;快门速度:1/250秒;使用了闪光灯
ISO感光度:100
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:人像
拍摄日期:2017年6月
范例7
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于80㎜)
光圈:f/5.6全开;快门速度:1/250秒;使用了闪光灯
ISO感光度:100
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:人像
拍摄日期:2017年6月

范例6是以70mm焦距、f/5.3全开光圈拍摄的照片。该焦距时同样维持着稳定的锐利度和清晰的效果。但是,该焦距位置时的散焦效果也有些生硬。

范例7是以80mm焦距、f/5.6全开光圈拍摄的照片。效果清晰,较之其他焦距位置描写略微柔和了一些,但散焦效果也因此变得稍柔和。在优先背景散焦拍摄人像时可利用80mm焦距拍摄。

范例8
尼康D800;AF变焦尼克尔28-80mm f/3.3-5.6G(焦距相当于80㎜)
光圈:f/5.6全开;快门速度:1/100秒;曝光补偿:-0.7EV
ISO感光度:800
图像品质:NEF(RAW)
白平衡:自动
D-Lighting:自动
优化校准:人像
拍摄日期:2017年5月

范例8是以远摄端80mm、f/3.5全开光圈,在近对焦距离0.35m处拍摄的照片。刚才忘提了一点,那就是该镜头还具有近对焦距离短的特征。其近对焦距离在当时各公司的套装镜头中是短的,能够进行如范例般的微距拍摄。这也可以说是6片结构(第1组为2片结构)的成果。从这张照片中可以发现,清晰对焦的雄蕊锐利度适宜,给人带来好感。散焦效果规范且没有双线散焦的倾向,达到良好的水平。

百年的时光

2017年7月,尼康于迎来了创建100周年的纪念日。自从1985年进入尼康公司以来,我一直从事光学设计已32年,算是和公司共度了这百年中的三分之一。其间,我结识了许多人,不仅有著名的设计师、试制品的制作高手、摄影家、要求严格的质保人员等等。之前,我曾经认为自己生不逢时,现今却不同,因为我所经历的时代正可谓是一个大步革故鼎的时代,在那个自动曝光刚出现的时代,以相机为例,发生了许多变化--从手动对焦到自动对焦,从胶卷到数码、从静态图像到视频。现在,我倒认为自己所经历的是一个有意义的时代。尼康度过了百年,并会向着下一个百年继续前进。我们仍需不断作出努力。

我现在感兴趣的是成像特性的优化问题。我对光学系统在三维领域的成像特性这一物理现象进行研究,并将成果向公司内外作出汇报和公开。我的演讲受到了众多同仁的赞同。我认为,现在的影像光学系统的评估方法,无法对即将到来的视频时代的镜头之优劣作出判断。如大家所知,拍摄对象侧是三维空间。那么,成像侧也应在三维进行评估。影像光学系统的光学性能必需对三维特性进行评估。依我之见,在光学设计方面,能够完全控制三维光学特性的时代也必将到来。比如,有关“心理颜色”的研究活跃,但就连大家在这方面积累起的心理评估,在影像和图像方面都还不够充分。光学领域亦然,成像点以外的研究还很薄弱。我认为,今后散焦领域的研究迫在眉睫。