最新大批武警出动视频:Mr.OH!數位講座 第10講 漫談鏡頭

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯
從玻璃看世界
如果將 CCD /CMOS 比喻為眼睛內的視網膜，那麼鏡頭就代表了瞳仁內的水晶體；也就是靈魂之窗了。接下來的鏡頭單元裡，Mr.OH! 將帶領同學們瞭解現代鏡頭光學工業的技術、規格、性能以及專有名詞。百年來鏡頭工業蓬勃發展，從早期的手工製作到現今 CAD/CAM 電腦設計，產能和品質相對地提升與進步。認識並瞭解你所使用的鏡頭和其性能是拍好照片的不二法門；鏡頭也與 CCD /CMOS 感光元件不同，有著更廣泛的規格與產品，等著同學們深入挖掘這其中的知識！

現代鏡頭工業的發展，已經不可避免的將各類鏡頭功能化，已適應不同的拍攝條件
上圖為 Canon 全系列鏡頭展示，Canon 單鏡頭一項即有超過 100支以上的不同品種
單一鏡頭與可交換鏡頭

原始的針孔相機，可能只是一個 Fex EX 的紙箱，然後戳上一個針孔就完成了。不過，現代的相機中『鏡頭』可說是每一台被稱作『相機』的必備要件。拍攝完美的照片在很大程度上必須依賴一個具有良好品質的鏡頭，不管是單一或是可交換鏡頭的傳統相機或數位相機，鏡頭本身的素質都是同樣重要。單一元件之高品質鏡頭（見上圖 - 國產普利爾公司設計之 3X光學變焦鏡頭元件），通常只能適用於部分的拍攝環境；遺憾的是在某些環境中成像良好的光學系統，在其他環境中很可能會產生完全不同的結果，這就是為什麼 DSLR 高階系列數位機身必須採用交換鏡頭以適應各種不同拍攝環境之故。
鏡頭設計的基本構思

許多第一次購買相機或數位相機的網友，在查閱本站『規格表』時不免疑惑？為什麼鏡頭裏面的鏡片還要分『群』和『組』呢？鏡頭不過就是用一些玻璃透鏡的組合不是嗎？但是，實際上來說並沒有那麼簡單。任何鏡頭在設計的一開始就必須面對一個大自然不變的定律：『光線是直線前進！』。這意味著鏡頭設計者必須巧妙的運用玻璃的特性，彎折光線，又不能造成光線的損失。設計者還要考慮使用者的便利性，例如：變焦功能的加入，可以讓攝影師不用載扛著相機跑來跑去，站在原點就可以拉近景物來拍攝。如何兼顧便利性，成像品質、涵蓋區域及最終取到體積小、重量輕、成本低的產品。都是在從設計圖紙上躍入最終生產線的種種考慮。
現今的鏡頭約80％以上，還是依賴『玻璃』材質完成組合與設計（部分廉價的相機鏡頭採用透明壓克力和塑膠鏡頭(以高分子合成材料，如聚苯乙烯製成）。和一般窗戶用的玻璃不相同，鏡頭所用的原材料是光學專用玻璃，這主要是以包含鋇、鑭、鉭氧化物的混合物，以提高其折射率。而通常用於製造相機鏡頭的光學玻璃其折射率一般不低於 1.5，並具備低色散能力。現代鏡頭玻璃材料已大量使用稀土原素，如氧化鑭、氧化鉭等。稀土技術的應用對改善鏡頭的強度及提高鏡頭的光學性能十分有效。
光線是可以彎曲

如果只是單純的把景物和底片擺在一起，中間沒有任何的鏡頭或針孔。那麼來自物體表現各處所散射的光線，都會均勻分佈在底片上，造成全面曝光而無法成像（見上圖）。不過，當你使用針孔暗箱時，除少數來自物體的光束外，大部分的光線都會受到暗箱的阻隔，只有透過針孔的光線，才會在暗箱底板形成一個上下顛倒，左右相反的影像（見上圖）。不過，針孔的缺點在於它實在太小，入光亮不足，無法讓底片上的化學物質感應，可是如果把針孔挖大一點，那麼本來被擋住的光線又會湧進暗箱，造成影像模糊。所以，一個能強力集中光線的『鏡頭』，應運而生。
利用不同類型的玻璃所產生的特定的折射率和色散率（Dispersive Power），讓光線偏向並集中強度和大小，成為鏡頭設計的最基本理論。折射率（RI）是指玻璃折射光線的能力，通常按光譜中段附近的光線波長（一般為590nm的黃綠光）進行測定。折射率越高，斜射進入玻璃的光線沿人射方向偏折得越嚴重（見下表）。
常用光學折射率表
物質名稱
分子式或符號
折射率
真空
無
1.00000
水
H2O
1.33333
熔石英
SiO2
1.45843
螢    石
CaF2
1.43381
鉀玻璃
K6
1.51110
重鉀玻璃
ZK6
1.61263
鋇玻璃
BaK2
1.53988
含氟玻璃
F1
1.60328
鋇氟玻璃
BaF8
1.62590
光學玻璃
ZF1
1.64752
鑽石
C
2.41923
而玻璃的『色散率』是指紅、藍色光折射率之間的差異。這差異越大，自然陽白光被分離成為的彩色光譜帶就會越寬，類似三棱鏡或小雨滴將日光色散為彩虹一樣。由於被攝物體往往不是單一顏色，加上人造的各種混合波長照明光具的生產與使用。人眼所見到的物體色彩，不一定能100％的在底片或是 CCD上表現出來，特別是光線本身再被鏡頭玻璃分色的話，色偏會更加嚴重。因此，色散性能也是考驗攝影鏡頭玻璃的一項重要指標。
基本上，折射率和色散率有其關連性，衡量色散率的值稱為Abbe Number（阿貝數），一般鏡頭用的光學玻璃是以在波長587.56nm時之Abbe Number為規格標示為νd，而νd公式來自於：νd =(nd-1)/(nF-nC)。其中，nd為波長587.56nm時之折射率，nF是波長486.13nm時之折射率，而nC是波長656.27nm時之折射率。可見光約是在波長400nm~700nm的範圍，而不同波長之折射率會有差異，νd即為衡量不同波長之折射率差異，簡單說，不同波長代表不同顏色，顏色的分散情況即為色散。就像三稜鏡的分光效果，分散角越小，表示各波長折射率差異小，色散也較小；反之則較大。（感謝本站會員 Quench 提供相關資料）。
因此，鏡頭設計者可以搭配不同性質的玻璃來取得最佳折射效果。此外，由於玻璃本身具有易碎的特性，在加工生產鏡頭的同時又必須考慮讓它具備防震耐摔的性能。特別是很多鏡頭玻璃必須修飾成各種不同的形狀和拋面，在製造的過程中不能使其發生破裂；而提高生產良率，要求玻璃中不能有缺陷（如：氣泡和雜質），則是一項減少浪費，降低成本的基本要求。總結以上，鏡頭玻璃的生產，牽扯到機具的穩定，添加物的含量，標準化的技術，種種關卡。每一關卡的失誤，都會造成鏡頭玻璃無法修復的損失。所以，儘管數字相機的品牌林立，但是不少廠商還是寧願購買大廠的鏡頭，用來搭配本身的機身，也不願投資生產風險頗高的光學鏡頭，原因在此。
...待續
│數位影像坊│攝影家手札│DV哈燒網│KeyBuy買賣│圖庫│購物│芳香屋│自然寫真│登入加入會員│
本網站內容之著作權屬於各原創作者,  任何部分均不得以任何形式或任何方式重製或轉載.