基礎攝影光學理論


這個章節是對於一些攝影會用到的光學原理做簡單的介紹,目的在於使大家對攝影光學以及鏡頭結構有初步了解,以便在改裝或維修鏡頭時更有概念。

單透鏡

針孔雖然【可以】拍出照片來,但是實際玩一下就知道其實針孔要曝光很久,玩創意可以,但真正要實用就會有問題。

如果要真正能實用的拍照,最簡單是使用透鏡,將凸透鏡對著窗外景物會在後方呈現一倒立之影像,這個影像投射在感光元件(底片或 CCD)上就可以將影像記錄下來。

簡單的凸透鏡,像一般的放大鏡就可以作為照相的鏡頭,但是有色差、球面差、像場畸變、軸外向差等等的問題,這些問題使得影像不清楚或是邊緣影像不清楚,或者是變形嚴重;因此一般的單透鏡並不是良好的攝影鏡頭。一個可以獨立使用的鏡頭都是一個相當於凸透鏡的鏡頭組,常由多片鏡片構成,單眼相機用裝在鏡頭與相機之間的加倍鏡則是一個相當於凹透鏡的鏡頭組。


焦距

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在攝影用鏡頭中會用到許多種的透鏡,長鏡頭還可能用到面鏡。凸透鏡可以凝聚光線,凹透鏡則可發散光線,凸透鏡是中間較邊緣厚的透鏡,凹透鏡是中間較邊緣薄的透鏡;鏡頭基本上都是一個由凸透鏡與凹透鏡組成的透鏡組。

在單透鏡而言,如果窗外景物夠遠,那麼透鏡到倒立影像之距離可視為焦距。如要更確實的量測,可以對著太陽在地面呈像,再量測透鏡到影像的距離。

如果是透鏡組,那就不太好量,比較簡單的做法是用已知焦距的鏡頭對著長形的日光燈,記下燈在牆壁上的投影長度。再把要量的透鏡組放在同樣的位置,量測燈的投影長度,兩者相比就可以概略估算焦距了。但是燈的距離遠一點會比較準確,但也不能太遠,太遠了燈的投影很小,不好量測。


物距與像距

但是實際上的任何鏡頭都很少是單透鏡,有些固然標示了焦距,但是有些舊貨不一定還能知道實際的焦距,所以要知道真正的焦距,還有一個方法,就是用物距與像距來計算,因為物距與像距的比與物高與像高的比值是一樣的,物高可以找一個已知高度的物體,像高可以量測,物距可以量測,像距就可以計算出來,而物距超過焦距五十倍以上時,算出來的像距已經極接近焦距的數值。


基礎光學計算公式

此處介紹兩個基礎光學計算的公式,不談怎麼導出來的,那太枯燥了,我們不是光學設計工程師,不需要知道那麼深入,以下的原理知道了就可以自己玩很多東西了。

此公式為高斯公式,其實高斯公式的原型並不是這樣寫,但是這樣寫比較容易看,也比較容易記憶,所以許多的書中都是這樣寫。公式如左,p 為物距,q 為像距,f 為焦距。在一般攝影時像距其實與焦距非常接近,但是在微距攝影時,像距則可能大於焦距,此時放大率會超過 1。利用此公式其實也可以導出放大率公式:

放大率 m﹦p/q


等效焦距公式在一般的狀況下不會用到,但是在自己玩微距攝影 DIY 時,如果了解此公式的意義,會比較能預估結果。

f1 及 f2 是各別透鏡的焦距,d 則為鏡片間的距離,E.F.L 為等效焦距。其意義是兩片焦距不同的鏡片以相距 d 的距離疊在一起時,綜合起來的焦距即為等效焦距。


透鏡形狀

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雙凸透鏡 平凸透鏡 彎月形透鏡 雙凹透鏡 平凹透鏡

透鏡有各種形狀如左,當然有些透鏡兩面弧面的曲度不一定一樣,有時看起來像平凸,但實際上可能不是,判斷的方法是看鏡面表面反射的影像,如果其中一面是平的,那一面的反射影像一定與原來的物體大小相同,否則一定有曲率。


色差

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透鏡最主要像差一般為色差,大家都知道三稜鏡會將白光分散為光譜,如左圖,透鏡的側面看來其實也像稜鏡,所以會有色差,紅光波長較長,結果紅光焦點就比藍光焦點長,因此焦點不在同一平面上,所以目鏡看紅光影像清晰,藍光影像就不清晰,反之亦然,用沒有消色差的透鏡當物鏡就會看到物體鑲了紅邊或藍邊,不夠清晰。

一般為了消除色差都使用兩片折射率不同的材質來組合成消色差透鏡,如左圖。一般天文望遠鏡因為在黑夜中黑暗的背景下紫色的部份不是很明顯,所以較低價的消色差透鏡都只對紅光到藍光消色差,高價的天文透鏡則有對全光譜消色的,有時需要三片鏡片。有些稱為 APO 或 ED 鏡片的透鏡組就是對全光譜消色能力較強,當然也比較貴。而攝影用的鏡頭則需要對紅光到紫光的色差都需要消除,不過實際在技術上會有些困難,當然色差消的越好,價錢就越貴。


像差

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透鏡除了色差之外還有許多其他的影像變形,可通稱為像差。垂直於透鏡面的中心線稱為光軸,如左上圖。接近光軸處像差較小,越遠離光軸處像差越大。在左中圖中透鏡邊緣與中心所成之影像焦點不一致,稱為球面像差;如果離光軸較遠處紅藍焦點不一致,稱為旁像色差。左下圖中斜向的影像與中心影像不在同一平面,稱為像場彎曲。

彗星像差有時稱為彗形像差,就是光點拍起來像彗星會拖尾巴,原因很多,鏡片歪斜,光軸不正,設計不良,裝配不良都有可能。

以上這些都是透鏡品質不良、裝配不良或是製造技術限制所產生的像差,當然還有其他的像差,但不管什麼像差,反正影像看起來不清楚就是了。有時候則是中央清楚而邊緣影像較模糊。

一般攝影鏡頭都會儘量減少這些像差,而外加的加倍鏡,不管是加在鏡頭前方的加倍鏡或廣角鏡,或者是加在鏡後的加倍鏡,幾乎都會增加像差,因此外加鏡頭都會造成畫質降低,有些比較高級的外加鏡是針對某一隻或是某幾隻鏡頭設計的,那畫質降低的程度就比較小。有些比較貴的外接鏡頭用的鏡片數比較多,一般效果也會比較好,但是要看是否與原來的鏡頭相匹配,有些外加鏡頭在某些鏡頭上效果還好,但是在某些鏡頭上效果很差,所以如果要買外接附加鏡頭的話,最好帶著相機去配。


反差

反差是指亮處與暗處的顯示狀態,極端的說反差最大時就是只有黑白兩色,而反差小時可以很綿密的解析出很多層次,但是反差過低又會使人覺得灰濛濛的不夠清楚,所以適當的反差可以有助於畫質,但是無論底片時代或是數位時代都可以用暗房技術或是電腦修圖來改變。但是反差過大是無法修回細節的,所以有人喜歡反差小的鏡頭以便爭取後製的空間。反差的高低與鏡頭設計有關。

畸變

畸變廣義的說也可以算是像差的一種,是影像產生變形,一般有針插形畸變與桶形畸變。在望遠鏡頭中畸變的問題較小,因為越是長焦鏡頭,所使用的影像相對而言只是像場中央的部份,也就是只使用接近光軸的小角度內的影像,所以影像的變形比較不明顯;但是廣角鏡則會用到很廣的角度,影像的變形比較明顯。

針插是一個小布包,作為插針用的,如果一個方格子的影像經過鏡頭投影出來像左圖的樣子,就稱為針插形畸變。


如果方格子的影像經過鏡頭投影出來像左圖的樣子,像桶子一樣,就稱為桶形畸變。有些鏡頭實際上還可能有針插畸變與桶形畸變的混合,可能接近中央處像是桶形,而靠邊緣則偏向針插形,當然也有相反的情形。


焦比(光圈)

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鏡片焦距除以口徑的商,稱為焦比,焦比大時像差較不明顯,但是影像較暗。焦比如果是 4,常常寫成 f/4。一般攝影鏡頭的焦比並不容易量測,因為鏡片組的口徑並不是最前面鏡片的直徑,一般都是看鏡頭的標示。在攝影鏡頭上一般會使用【光圈】這個名詞,而較少用焦比。


左圖中表示實際的光路圖,中間部份的影像使用鏡片中間的部份,而邊緣的影像則使用鏡片邊緣部份,在此情形下,最大光圈其實是指成像的中心點所使用的等效鏡片大小,並非前鏡片所有的面積,所以量測計算光圈並不能用前鏡片的直徑來計算,否則那些超廣角焦距可能才 20mm,前鏡片直徑卻常常超過 30-40mm,那豈不是超過 1.0 了,不貴死才怪,在技術上也幾乎不可能。而焦距越長,用前鏡片直徑的值來計算出來的光圈與實際值越接近,像一般 200/f4 的鏡頭,濾鏡口徑可能是 52mm,去掉邊緣的固定環,焦距除以前鏡片直徑算起來也差不多剛好是4。


以最大光圈值1.4的標準鏡而言,光圈的數值會標出:1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22 等,每兩個數字之差距稱為差一級,每一級之間的關係大約為 1.4 倍,焦距如果一定,那就表示鏡片開口直徑縮減為 1/1.4,此為直徑比,經平方換算為開口面積比則為 2 倍,所以每一級光圈之間的進光量,剛好是 2 倍或者是 1/2 倍的關係。如左圖就是某個鏡頭光圈在 5.6、8、11 的開口狀況。此處請注意【光圈值】與【光圈】是不同的,光圈值越大,光圈開口其實越小,反之亦然,所以要看清楚說的是【光圈】還是【光圈值】。

在攝影鏡頭光圈的實際的計算中,其實不是用焦距除以口徑,而是用像距除以開口口徑,在一般攝影時像距與焦距的值很接近,問題不大,但在微距攝影時,如果拍攝放大率為1:1,此時像距已經等於兩倍焦距,計算光圈時就差了一倍,已經是差了兩級。

此外還有一種說法,就是光圈值其實是進到感光面上光錐的夾角,角度越大,光圈值越小。如果採用這種說法,在說明邊角失光的問題上就更容易明白。


光圈與景深、焦深

在攝影鏡頭上一般會標示最大光圈,而透過一光圈葉控制的機構可以控制光圈的大小而使焦比改變,或者說光圈改變。

至於為什麼小光圈效果會比較好?請看左圖,在左上圖中是大光圈的狀況,左下圖中是小光圈的狀況,上圖中可以看出如果鏡頭色差較大,在成像時紅光與藍光的焦點會不一致,光點在底片(或 CCD)上會成為一個模糊圓、而且紅光焦點對了,藍光焦點就會太前面,藍光焦點對了,紅光焦點又會太後面,這是以色差的角度來看。

而邊角影像如綠線,很可能因像場不夠平坦而使邊緣影像的焦點前移或是後移,光點在感光面上就會擴散成一個模糊圓,這是以像場彎曲的角度來看。

在左下圖中則可看出在小光圈時,光線進入的角度差異較小,使得在感光面擴散的模糊圓變小,因此無論是色差造成的像差,還是像場不平所造成的像差,一個點看起來就不再是一個圓,而更接近一個點,所以看起來都會比較清楚。

這樣的現象也造成了小光圈時景深比較大的結果,先不管像差的問題,即使沒有像差(請見左圖),藍線為合焦時的光線角度,紅線為失焦時的光線角度,比較之下可以發現失焦處在感光面上已經擴散為一個模糊圓。而左下圖小光圈時,因為焦點以外更遠與更近的物體所造成的光點都會變小,在小到一定程度時,人的眼睛已經不易辨別差異。

以 135 規格底片而言,這個模糊圓的直徑是以 1/30mm 為參考值,不過並不表示模糊圓小於此值就一定看不出來,這還牽涉到照片的放大率、底片的粒子粗細、看的人眼睛是否夠厲害等等。


而廣角鏡因為遠近物體在感光面上投影的位置都更接近感光面,不在焦點上的光點會更小,所以廣角鏡的景深範圍會更大,或者說焦深更大。

見左圖中,下方為望遠鏡,不在焦點上影像的模糊圓會更大。


這是一隻 28mm f3.5 鏡頭上面的景深標示,中央的紅色菱形是鏡頭的中央點,也是對焦以及光圈環調整的基準點,左右兩旁對稱的數字就是景深範圍,例如對焦在三公尺時,左右兩旁的 8 各對準在無限遠以及 1.5 公尺,表示用 8 的光圈時,由 1.5 公尺到無限遠都會清楚。

一般在拍喜宴時,如果將對焦環對在 3 公尺處,然後用 8 的光圈,此時由 1.5 公尺到無限遠都清楚,也就不必對焦,可以盲拍,可以搶到許多鏡頭,此時閃光燈的光應該也夠強,就很方便了。

在中央標示的左邊,有一條小的紅線,那是紅外線對焦的標示,因為紅外線的焦點會比可見光長,所以用可見光對到焦點以後要再將鏡頭往前調整一些才行。


如果把對焦環放在 1.5 公尺處,而希望不要對焦也清楚,則需要將光圈環放在 16 ,此時清晰範圍將由 0.8 公尺到無限遠。


這是望遠鏡頭的景深表尺,看來即使放在 16 的光圈,清晰範圍也很窄,所以在實用上而言,廣角鏡的景深比較有用,望遠鏡頭有時因為景深很小,對焦距離標尺也不夠精細,所以不見得實用。


這是變焦鏡的景深標尺,因為焦距不同景深不同,所以是用寬窄不同的弧線來表示,同樣光圈在不同的焦距有不同的景深範圍。

一般來說變焦鏡比較更不準確,因為有時焦點的位置會有少許的變化,而且有時變焦鏡的距離表尺根本不準確。

其中右方本來應該是標示 11 處改標為 R,表示該線為紅外線對焦用的位置。

一般而言,在實際拍攝時,有些鏡頭上面的標尺其實很粗略,有時可以在觀景窗中用景深預觀的功能來看,但是有時也不一定能看得清楚。如果在觀景窗中看起來大致可以,此時應該將焦點對在想要清楚範圍中靠鏡頭三分之一處,這樣可以達到最好的結果,例如要距離鏡頭 10~40 公分處都清楚,範圍是 30 公分,此時要將焦點對在距離鏡頭 20 公分處。


主平面觀念

許多光學的資料中都會談到主平面,但是不一定會說明主平面的意義,因此這裡稍微說明一下,但是說實在的,主平面與鏡頭設計者比較有關,鏡頭的使用者其實不用知道也無所謂。至於改鏡的朋友是否一定要了解主平面,其實也不用,改鏡比較重要的資料是法蘭距,後面會再說明。主平面其實對於自己用小透鏡來湊組望遠鏡目鏡的時候比較會用的到,但是實際上既然是【湊】,當然用嘗試錯誤的方法也可以。

請看左圖,光線由左方射入,經過透鏡達到右方的焦點。平行於綠色光軸的光線 A 經過透鏡後變成被折射的光線 B,此時光線 A、B 的焦點為 AB,由此點對光軸作圖,交點為 C',此點即為像方主點,經過此點垂直於光軸的面則稱為像方主平面(或後主平面)P'。

而折射成平行於光軸 B' 的光線,與其入射之光線 A' 之交叉點為 A'B',此點做與光軸垂直之垂線交點 C 則為物方主點,該平面則為物方主平面(或前主平面)P。

主平面之位置變化極大,如果有曲率數據的話,當然是可以計算的,一般的透鏡主平面位置請參閱左圖,但這些圖只是示意圖,並不精確,實際上會受到透鏡厚度、曲率、形狀等等因素影響。

以凸透鏡而言,後主平面其實距離後方焦點的距離就是焦距。前主平面呢?其實也一樣,反過來量就好了,把透鏡反置,或是把光線由右方射入,再用同樣的原理來繪圖。如果是對稱的雙凸透鏡,主平面的位置也是對稱的。

至於透鏡組的主平面在哪裡,那可就複雜了,與透鏡焦距,鏡片間距離、表面曲率等等因素都有關,後面會以相機的鏡頭來舉例。

在實際的相機鏡頭而言,像方焦點的位置一定是在曝光面上,不管是底片還是數位、單眼還是連動測距甚至是傻瓜機,都一樣在機身大約最後面底片或 CCD 的位置。因此相機鏡頭後主平面的位置就在由底片或是 CCD 往前量測一個焦距的長度。

以單眼相機用的標準鏡而言,因為多半為幾乎對稱的雙高斯結構,所以主平面的位置大致如左圖。因為單眼機身厚度就差不多將近五公分了,這也是一般 135 規格單眼相機的法蘭距。因此由焦點面量五公分的話,後主平面大概就在最後一片鏡片附近。此圖為 Pentax 50mm f1.4 的結構,但主平面位置為示意圖。

但是廣角鏡的話就很不一樣,一般廣角鏡多半是倒伽利略式設計,凹鏡組在前,凸鏡組在後,如果焦距短於法蘭距,那後方主平面就一定會落在最後一片鏡片之外。而前方焦點往往在鏡組之間,前主平面當然也就會落在鏡組之間。請圖之結構為 Pentax 28mm f3.5,但是主平面的位置僅為示意圖。

望遠鏡頭則相反,如果以伽利略式設計的望遠鏡頭,前組為凸鏡,後組為凹鏡,一般鏡組長度會低於焦距長度,此時後主平面很可能會落在最前方鏡組之前,前主平面則更遠離前鏡組。此圖為 Pentax 200mm f4 的結構,但主平面位置為示意圖。

當然左圖是比較誇張的圖,事實上大部分的後主平面會落在望遠鏡頭的前鏡組附近,不一定會超過前鏡組。如果是超長距鏡頭,後主平面超出的機會比較大,如果用了加倍鏡,則一般後主平面都會在前鏡組之前了。

但是如果是那種折反射並用的望遠鏡頭,前、後主平面應該都在前鏡組之前。

微距原理

微距原理其實很單純,就是將像距增大,如左圖A為原來位置,圖 B 是將鏡頭前移增加像距,請參閱本網頁前方所述的物距、像距、焦距的關係公式,增加像距,就可減少物距,可以拍的更近。近攝環、蛇腹都是利用此一原理。但此時鏡片到感光面距離增加,有效光圈會變小,有曝光補償的需求。

左圖中 C 是使用外加的近攝鏡,外加的近攝鏡就是一片凸透鏡,兩片凸鏡疊在一起,等效焦距會減短,讀者可用兩隻放大鏡自己試試看就了解。C 圖中的紅線表示焦距縮短後的焦點位置。這樣一來利用同樣的公式算一下,就會發現當像距大於焦距的值很多時,物距會大幅減短,於是可以拍的更近。一般的說法是,原來的鏡頭對焦在無限遠時,加了外加近攝鏡則最遠對焦距等於外加近攝鏡本身的焦距數值。如此可以看出對焦距離已經大幅變近。

左 D 圖是表示用另一個鏡頭接在原來的鏡頭前面,原理其實與外加近攝鏡相同,但是一般鏡頭焦距很短,所以可以得到很大的放大率。

另外也可以使用鏡後加倍鏡,就是接在鏡頭與機身之間的加倍鏡,原理是用凹透鏡來擴散光線的角度(如圖 E、F),這樣就可以增加影像的大小。加倍鏡可以拍微距或近攝,是因為加倍鏡能將影像放大,雖然沒有拍的更近,但是影像變大了,當然就可以達到相同的目的。


左圖是倒接的示意圖,為何要倒接,如左圖 A,一般鏡頭前方光線進入夾角較小,後方夾角較大,如果只是增加鏡頭後方的像距(如左圖 C),其實會大幅改變光路進出的角度,與原來鏡頭的設計不符。但是看圖B中就不同了,倒接之後,像距越大其實越接近原來的光路設計。所以在追求高倍微距時,倒接是個好方法。

對接時(如左圖 D)就是將另一個鏡頭倒接在原來的鏡頭前,其實也符合光路的設計,兩個方向的光路都可以符合,但是有時鏡片太多會造成反差降低的情形。使用此種組合時,要使用大光圈的鏡頭,否則會出現成像圈,一般可以使用標準鏡或更長的鏡頭來對接,如果鏡頭品質本來就好的話,可以得到相當好的畫質。

用長鏡頭對接是更好的選擇,放大倍率等於後鏡焦距除以前鏡焦距。前鏡光圈可以全開,但原來的鏡頭品質必須很好,否則要縮光圈,縮太小會有成像圈,後鏡也可以縮光圈,可以在觀景窗中實際測試。對接的最大缺點是前方的物距大約都會等於法蘭距,也就是大約為機身的厚度,不像長焦微距鏡可以有 20-30cm 以上的工作距離。但是這樣接也有好處,仍然可以用到機身的開光圈測光系統,對焦時可以比較明亮,不像單純單鏡倒接時觀景窗中會一片黑暗。此外這樣對接出來的像場很平,而且中央邊緣一樣清楚,直線也不會變形。

除了正規微距鏡以外,對接是最便宜、最方便而且高品質的高倍率微距拍攝法。


邊角失光(暗角)

邊角失光又稱暗角,先從針孔相機說起,為何要稱【針孔】而不稱【極小孔】,因為那個孔最好用針來刺,請看左圖 A,如果只是打一個洞,那麼直向通過針孔的光錐角度與斜向通過針孔的光錐角度會差很多,離中心點不遠處邊緣的影像就會很暗。如果孔的形狀像左圖 B,那麼斜向的光線被邊緣擋住的問題會小一些,就可以得到更大的成像圈。而針的形狀是下小上大,有些角度,所以用針刺會比較接近圖 B。此外針孔相機要求製作針孔的材料要很薄,原因也是基於使用薄材料斜向的光線比較可以進入更多。


左圖是一個簡單的單鏡片鏡頭,由圖中可以看出與針孔相機類似,斜向的光錐角度會變小,如果像前面所說得光圈值其實是可以用光錐夾角來解釋的話,那斜向曝光的光圈值會變大(相當於光圈變小),因此中間如果相當於光圈 5.6,那邊緣可能已經相當於 8,甚至更暗,因此邊緣會有失光現象。此種原因造成的失光即使縮小光圈改善也相當有限,因為斜向與垂直光錐角度的差異現象仍然存在。


斜向光錐夾角變小的問題是一些構造比較簡單鏡頭的失光原因,但是比較高級的鏡頭,其實因為該原因而造成的失光已經相對降低,因為會用更多的鏡片將斜向光錐轉的垂直一些,用光學的方式去補償邊角的失光。不過有時也看鏡頭的設計,並不表示比較好一點的鏡頭就一定不會有光錐夾角造成的暗角。

但是在廣角鏡上有另一種原因造成的失光,請見左上圖,在大光圈時,紅色的線條是理想光錐的角度,但是在上下方各有一個區域因為鏡片不夠大而造成邊緣的失光。此種失光將光圈縮小一些就可以改善,如左下圖,縮小光圈後中央與邊緣的光錐夾角已經較為接近,一般縮小一級光圈就有明顯的改善。此種暗角的問題當然也可以用增加鏡片直徑的方式來解決,但是那樣鏡頭成本會增加,鏡頭就更貴了。


左圖就是一隻 Pentax 20mm f4 的超廣角鏡實際的狀況,左上圖為中央部份看起來的形狀,是圓形的,但是應該也可以注意到以中央影像而言,後方鏡片邊緣其實並沒有用到。

左下圖是斜向看過去會發現邊緣鏡片是用到了,但是還嫌不夠大,因此造成了邊角的失光。

一般而言,望遠鏡頭邊角失光現象比較不明顯,因為望遠鏡頭最後一片鏡片距離感光面較遠,另一個原因是望遠鏡頭的鏡片也會比較大,因此中央與邊角影像的夾角差異較小。


法蘭距

左圖是典型的單眼相機,或稱為單眼反光機,單眼是指只有一個鏡頭,鏡頭的接環到相機感光面的距離一般稱為法蘭距,不同的廠牌法蘭距不同,但是差別不太大,但是即使只差一點點,不同廠牌的鏡頭即使可以裝的上,也可能無法對焦到無限遠,這就是法蘭距的問題。一般而言在轉接或是改裝時,法蘭距長的比較好改給法蘭距短的,但是法蘭距短的比較難弄,因為法蘭距不足的話,要對焦對無限遠就必須將鏡頭的尾巴更接近感光面,太接近了又會打到反光鏡。

法蘭距資料在改鏡時很重要,由此資料可以估算是否能改到某種機身使用,也可以估算鏡後的凸出量是否可以被某種機身接受。例如原來的法蘭距是 A,要使用在法蘭距為 B 的機身,原來鏡頭後面的凸出量是 X,那麼,如果改完後的凸出量就是 B-A+X,再量一下機身的容許凸出量就知道是否會打鏡了。各廠牌鏡頭法蘭距資料在這裡
 

fresnel 透鏡

在上圖中,深藍色的是集光鏡,如果沒有集光鏡的話對焦屏邊緣影像會變暗,但是加了集光鏡整個相機體積又會增加,有時是使用底面凸起的五稜鏡,但是那樣其實減少的高度有限。為了減低整個相機的高度,一般都會在對焦屏上加了 fresnel 透鏡。什麼是 fresnel 透鏡?請看左圖,一般的透鏡有聚光的效果,如果將一片塑膠或是玻璃的切面做成像左下圖的形狀,也會有聚焦的效果,fresnel 透鏡就是一片平板上刻畫了許多同心圓形的刻痕,而每一圈刻痕的切面形狀則近似一個凸透鏡的局部,這樣整片就類似一個凸透鏡的效果,所以筆者常稱此種透鏡為【環紋透鏡】,不過好像沒有其他人這樣用。此類透鏡如果每個刻痕上的曲面越近似透鏡,則成像越清晰。

此種透鏡隨處可見,對焦屏的其中一面用 fresnel 透鏡來代替集光鏡,則可大幅減少厚度,以前的所謂雙鏡反光相機,有些機型可以清楚看到該結構。有些電視機前的放大鏡也是此種透鏡,有些汽車材料行買的貼在後窗上的一種廣角鏡也是 fresnel 透鏡,只不過那是凹透鏡。在許多的網站中也介紹燈塔會用此種透鏡來聚光。fresnel 可以看成是由很多圈的透鏡組成,每一圈等於是一片環狀的中空透鏡。


左圖 D 是一片單眼相機的對焦屏,可以看出有同心圓造成的特殊反光圖案,在 A 及 C 中可以清楚看到同心圓的環狀圖案,A 中的雜亂線條是一些附著的纖維,B 中則可看到切面的部份,可以看出波浪狀的切面。這些同心圓的環紋非常細,要用高倍放大鏡才能看到,這些圖案都非常細緻,用了很高倍數的微距鏡才拍出來。

這裡也可看出一片具有 fresnel 透鏡的對焦屏其實等於取代了對焦屏以及集光鏡的功能,在單眼相機中可以減少好幾個 mm 的高度,雖然不多,但是在相機整體會覺得小很多。


光學鍍膜

鏡片的鍍膜是光學上很重要的部份,玻璃的表面會反射光線,如果入射角比較斜的話,可能損失 20% 以上的光線!這只是一個面的損失,實際上相機的鏡頭即使是早期的望遠鏡頭也至少有兩片,一共是四個面。這樣一來損失的光線其實很可觀。如果一隻號稱 f2 的鏡頭,但是沒有鍍膜的話,六、七個面反射下來,可能光圈只剩 2.8。因此許多老鏡片當時都儘量用膠合鏡片,以減少反射的界面。

除了會減少到達曝光介質的光線外,光線在鏡片之間重複反射的結果會使影像不清,反差降低;有時對著強光拍攝會出現一串光斑,甚至一片死白。雖然有時光斑安排得當的話,也很漂亮,但是大部分都會對拍攝造成干擾,因此減少玻璃表面反射就便成了重要的技術。

如果光線由折射率為 n1 的空氣中垂直射入折射率為 n2 的玻璃中,反射率如下式:


穿透率則如下式:


由以上的式子中可以發現,兩種材質的折射率如果越接近則反射率越小,反之越大,因此如果在玻璃表面附著一層折射率介於空氣與玻璃之間的物質,則可以減少反射並增加穿透率。

請見左圖,如果在空氣折射率 (nair) 以及玻璃折射率 (ng) 不變的話,加上一層折射率為 nc 的鍍膜物質,此時如果分別計算空氣→鍍膜、鍍膜→玻璃的透光率,再相乘後會發現有鍍膜的透光率會增加。因此,鍍膜的概念就應用在鏡頭的抗反射上面,一開始所使用的是氟化鎂、氟化鈣之類的成份,當時只有單層的鍍膜。在科技不斷的進展下,漸漸也會用氟化鉛、二氧化鈦、二氧化矽等等的成份來鍍膜,而且會鍍上十幾二十層的鍍膜。這類的多層鍍膜會使透光率大增,使鏡片間的反射光大大降低,目前連塑膠鏡片也能鍍上多層膜了。各大相機廠也多研發自己的鍍膜方式,例如 Pentax 的超級多層鍍膜(SMC)、Carl Zeiss 的 T* 鍍膜等等,成份應該也更複雜,當然多半都是機密。早期是用化學的方式使鍍膜沈積在玻璃表面,後來則是用真空鍋,將鍍膜物質高溫揮發後凝結在玻璃表面。

鍍膜後的反射光其實有兩道,請見上圖;一道是由鍍膜表面反射,一道是由鍍膜與玻璃的界面反射,雖然反射光的量大大降低,但是仍然存在,這兩道反射光會產生光程差,會發生干涉現象,於是某些波段會相消,某些則會發出五彩的色澤。因為人眼對波長 555nm 的黃綠色光最敏感,所以一般老式的單層鍍膜都將鍍膜厚度控制在反射藍紫色光而透過黃綠色光。現代的多層鍍膜則多為了色彩的重現,必須平衡各色的反射率,因此反射出的鍍膜顏色多半會有互補色光的現象,也就是某一面有藍色反光則就會有另一面有黃色反光,有綠色則有紅色互補;因此多層鍍膜的鏡頭反光色澤五顏六色。但是我們並不能用反光的顏色來判斷是否多層鍍膜,一般而言,單層鍍膜是藍紫色反光,但是藍紫色反光並不一定是單層鍍膜。

如果要判斷鍍膜效果是否良好,並不是由顏色來判斷,而應該由反光強弱來看,反光越強當然效果越差。不過有時用眼睛來判斷會不準,最直接的就是對著太陽拍一張,但眩光或鬼影的強弱就知道了。


以下是數種鍍膜的圖片,圖片中的反光程度並不能代表真正的抗耀光性能,因為拍攝出的反光強度其實與光線角度、曝光程度等等有關,實際的效果還是要實際拍攝才能顯示。

廠牌

前方 後方
這是從至少四、五十年前的船用光學儀器拆下來的,是一片消色差的凹鏡,拿來當作天文鏡的加倍鏡,單層鍍膜,可惜鍍膜有些磨損。  
老俄國鏡的鍍膜都不怎樣,這是 58/2 的鏡頭,但是我懷疑是否真的可以達到 2 的光圈曝光值,看起來反光很亮。雖然圖中看起來還好,但是看底下墊的那張白紙就知道其實曝光減了兩級以上,這樣才拍出反光的顏色,才知道原來是有鍍膜的,如果只用肉眼看,乍看之下還以為沒有鍍膜呢。
這隻鏡大概也有三、四十年吧,Carl Zeiss 老標準鏡,但是素質非常優良,據說為當年標準鏡王。有沒有多層鍍膜我也不知道,但是有幾個面的反光其實有點強。
這是 Contax 的標準鏡,是近代的產品,有號稱非常優良的 T* 多層鍍膜,看來五顏六色,反光的程度比老鏡來的弱。
Rollei 的標準鏡,與前面的老蔡斯是同樣的鏡片結構,但是有 HFT 多層鍍膜加持,解析度與前面那隻老蔡斯差不多,但是抗耀光性能好多了。
Nikon 的廣角鏡,反光不強,實際上拍攝抗耀光性也不錯。
這是 Pentax 引以為傲的 SMC 超級多層鍍膜,看起來反光確實很低。
Vivitar 的一隻微距鏡,有一兩個面的鍍膜還好,反光很弱,但是多數的鏡面反光似乎有點強。一般副廠鏡常常會這樣,幾個比較重要的面鍍膜鍍好一點,其他的比較差,應該是成本考量。在數位時代,因為 CCD 怕太強的反光,因此號稱數位機用的鏡頭都加強了鍍膜,副廠鏡的鍍膜也有改善。
這是 Makinon 的鏡頭,號稱是金黃色鍍膜,但是反光很強,鏡頭後方已經減少了曝光度才勉強拍出色彩,由底下墊的白紙都已經黑了就可以看出。此鏡為 24mm 廣角,縮到 8 的光圈,邊緣影像仍然不良,花了 3000 元買,發現實在上當,再也不敢碰此牌的鏡頭,前一陣子要賣 800 都沒人買(當然是實情據實以告)。 不過此廠牌的 300 mm f 5.6 反射鏡倒是畫質不錯,所以每個廠牌都有爛鏡,也都有好鏡。

D.T. Tang 製作

本頁最後修改日期: 2006/2/7

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