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當(dāng)我在教攝影藝術(shù)理論的時(shí)候，聽說現(xiàn)在的很多大學(xué)攝影藝術(shù)專業(yè)的課程中不再?gòu)?qiáng)調(diào)《照相機(jī)》這門課程的時(shí)候；當(dāng)我在給孩子們指導(dǎo)創(chuàng)客課程的時(shí)候，聽說STEAM變成了STEM，ART沒有了；這些時(shí)候都會(huì)覺得非常心痛！攝影這玩意自打發(fā)明以來就離不開技術(shù)的支持；而技術(shù)如果沒有了藝術(shù)的思想指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品最終也會(huì)缺乏美感?？傊囆g(shù)和技術(shù)的本質(zhì)是永遠(yuǎn)無法被完全切分開來的。
上幾期的文章《這個(gè)比拼太極端，難怪比試到一半就有人來喊冤！終極畫幅鏡頭的非對(duì)稱PK之二！》和《極端畫幅鏡頭的非對(duì)稱PK，OLYMPUS EM5 對(duì)陣 LEICA S》我都強(qiáng)調(diào)了小像場(chǎng)的鏡頭天生具有高分辨率，設(shè)計(jì)的時(shí)候肯定比較好伺候。但是還是有很多愛好者覺得我說的是無稽之談。其實(shí)要回答這個(gè)問題很簡(jiǎn)單，我們只要設(shè)計(jì)過一支小像場(chǎng)的鏡頭就不會(huì)再來問我同樣的問題。鏡頭的設(shè)計(jì)在很多攝影愛好者看起來是一件非常神秘的事情。 今天我就要通過設(shè)計(jì)一支供奧林巴斯/松下使用的MICRO FOUR-THIRD規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭來回答這些問題。
首先讓我們來理順一下設(shè)計(jì)的起始思路。我們需要設(shè)計(jì)一支和普通的全幅傳感器相機(jī)一樣的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。大家都知道，全幅傳感器的相機(jī)就是我們傳統(tǒng)的135相機(jī)，它的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭一般是50mm，有時(shí)可以是短一些的40mm，也可以是長(zhǎng)一些的60mm。 而這種規(guī)格的鏡頭一般的最大有效孔徑是F1.4-F2.8之間。
這個(gè)是一般人的思路，但是在設(shè)計(jì)師看起來，最重要的是指標(biāo)是這支鏡頭的半視場(chǎng)角。在設(shè)計(jì)中，稱為semi-FOV （FIELD OF VIEW）。 這張圖在我寫的教程中出現(xiàn)過多次，我們通過查詢可以得知標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的對(duì)角線全視場(chǎng)角是46度。semi-FOV大約是23度。
我查詢了鏡頭設(shè)計(jì)的過期專利庫(kù)，通過一系列刷選，選中了這支鏡頭。我將它在電腦中打開，并且仔細(xì)審核它的性能。它的semi-FOV(在這個(gè)軟件里顯示FOV）是21度，最大孔徑是F2.0。應(yīng)該說它的原始結(jié)構(gòu)基本符合要求。從結(jié)構(gòu)圖上可以看到它是一支很典型的6片玻璃組成的對(duì)稱型雙高斯結(jié)構(gòu)。
唯一不符合要求的是它的焦距?，F(xiàn)在它的有效焦距（Effective focal length）是100mm。長(zhǎng)了一些。再看看它的像場(chǎng)圈，近軸像高居然可以達(dá)到38.38mm。近軸像高就是成像圈的半徑，也可以理解為對(duì)應(yīng)傳感器對(duì)角線尺寸的50%。如果傳感器尺寸為60mmx45mm（實(shí)際目前中片幅相機(jī)傳感器的尺寸只有48x32.9mm，應(yīng)付這樣的傳感器綽綽有余），那么對(duì)應(yīng)的像高必須達(dá)到37.5mm以上。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)來看，這個(gè)鏡頭的成像圈完全可以覆蓋整個(gè)傳感器。所以現(xiàn)在這個(gè)原型鏡頭是一支為中片幅相機(jī)（我們俗稱120相機(jī)）準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（略微偏長(zhǎng)焦一些）。
上圖：目前全世界最小的120數(shù)碼相機(jī)的尺寸，裝載了一個(gè)80mmF2.8鏡頭，大家感受一下它的80mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭需要多大；如果將上面這個(gè)100mm f2.0方案轉(zhuǎn)換為真實(shí)的鏡頭，它的物理尺寸需要有多大？
盡管如此，我認(rèn)為它基本性能符合我原定的設(shè)計(jì)要求，就用它來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將一只給120相機(jī)用的大型標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，改變?yōu)橐粋€(gè)小得多的MICRO FOUR-THIRD相機(jī)用的小型化的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。
大家可能還注意到一個(gè)問題，就是這支原型鏡頭的MTF非常不理想，而且看起來很凌亂。因?yàn)?，我在原先的SETTING中將空間頻率設(shè)定為10線對(duì)/mm、 20線對(duì)/mm、30線對(duì)/mm、40線對(duì)/mm、50線對(duì)/mm、60線對(duì)/mm。將空間頻率提升的這么高主要是為了后面設(shè)計(jì)派用處，看一個(gè)120規(guī)格的鏡頭不需要這么高的數(shù)據(jù)。我將它的設(shè)置簡(jiǎn)化為10線對(duì)/mm、 20線對(duì)/mm、30線對(duì)/mm（這樣和市場(chǎng)上的鏡頭采用相同的分析標(biāo)準(zhǔn)）。
我通過空間頻率設(shè)置對(duì)話框，重新定義一下我想要的空間頻率。DONE！
去掉3組空間頻率以后，MTF輸出圖像顯得簡(jiǎn)化很多。但是，鏡頭實(shí)際性能并沒有提升。應(yīng)該說這支鏡頭對(duì)于高頻率細(xì)節(jié)的描寫是很差的。我補(bǔ)充一下，盡管我認(rèn)為很差勁，但是這是一支完全可以實(shí)用化的鏡頭方案，如果真的制造出來，裝到哈蘇相機(jī)上用，它拍出的照片一樣是比較清晰的。你對(duì)照一下下圖卡爾蔡司發(fā)布的哈蘇鏡頭官方數(shù)據(jù)。不過如此。所以我的理論是正確的。大片幅相機(jī)的清晰度主要來自于比較大的焦距（像對(duì)應(yīng)的物比較少）。
我特地翻出沉睡多年的資料。如果您看得懂MTF圖，其實(shí)卡爾.蔡司、哈蘇已經(jīng)在幾十年就告訴您，他們的這個(gè)80mm F2.8號(hào)稱全世界最優(yōu)秀的經(jīng)典鏡頭，其實(shí)在F2.8的時(shí)候，在近中心光軸到對(duì)角線極限位置的50%距離（精確點(diǎn)可以認(rèn)為是25%的距離，即距離光軸半徑15mm的地方開始，就已經(jīng)無法分辨40線對(duì)/mm的目標(biāo)了。 即使在光軸上，還原能力也只有區(qū)區(qū)45%，也就是模模糊糊看得清楚。F8.0以后才有所改善。這可是精心優(yōu)化以后的結(jié)果??！而上面的模型，沒有優(yōu)化過的，是F2.0狀態(tài)的。
接著我第一步先將這個(gè)原版模型變化為一只符合索尼ALPHA-7相機(jī)（配備36mmx 24mm傳感器）的鏡頭，大家參考起來方便一些。 我們先看看索尼36mm X 24mm傳感器和奧林巴斯/松下所采用MICRO FOUR-THIRD規(guī)格傳感器巨大的尺寸差異?；疑侨鶄鞲衅?，粉紅色是MICRO FOUR-THIRD規(guī)格傳感器。
其實(shí)將100mm的鏡頭變化成50mm的鏡頭很容易，選中所有數(shù)據(jù)以后，按照比例縮小就OK。第一次我選擇比例為0.5。就是縮小成一個(gè)50mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。
完成以后，我分別在三個(gè)對(duì)話框中點(diǎn)擊“UPDATE”，結(jié)果鏡頭的結(jié)構(gòu)圖是完全不變化的，但是參數(shù)和MTF變化了。鏡頭有效焦距EFL變化為50mm，近軸像高變化為19.19mm。
但是大家會(huì)發(fā)現(xiàn)MTF有了明顯的提升，尤其是紅色的那根代表30線對(duì)/mm（較高頻率）的曲線有明顯的上升。
接著我恢復(fù)了原先6組空間頻率設(shè)定。重新恢復(fù)為為10線對(duì)/mm、 20線對(duì)/mm、30線對(duì)/mm、40線對(duì)/mm、50線對(duì)/mm、60線對(duì)/mm。大家可以明顯看到，除了30線對(duì)/mm以外，高空間頻率的部分，40線對(duì)/mm、50線對(duì)/mm、甚至60線對(duì)/mm都有明顯的提升。最重要的是MTF的曲線比較平緩、均衡，這個(gè)對(duì)今后的設(shè)計(jì)拓展是很有利的。說明這個(gè)原始型號(hào)選擇得不錯(cuò)。于是一不做，二不休，直接設(shè)計(jì)MICRO FOUR-THIRD規(guī)格的鏡頭。
大家都知道，松下、奧林巴斯的MICRO FOUR-THIRD規(guī)格的鏡頭等效索尼ALPHA-7的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距是25mm，也就是100mm的四分之一。照葫蘆畫瓢！
按照上面的步驟，將縮放系數(shù)設(shè)置為0.25。這支25mm F2.0的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭就初步定稿了。MTF進(jìn)一步飛速提升（尤其是近軸的部分，上升飛快）。但是在欣喜之余，不要忘記檢查一下數(shù)據(jù)。這支鏡頭符合基本預(yù)期，但是有一個(gè)數(shù)據(jù)是不對(duì)的，那就是近軸像高。
它的像高只有9.5mm。這就意味著成像圈的直徑不能覆蓋MICRO FOUR-THIRD的傳感器。
我提醒大家回想一下初步的方案。它的原型是一只100mm的鏡頭，而120相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭只有75-80mm的焦距。如果對(duì)應(yīng)成MICRO FOUR-THIRD傳感器的鏡頭，100mm應(yīng)該被折算為30mm左右，也就是說這支原始結(jié)構(gòu)是一只比普通規(guī)格略長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。那么它不應(yīng)該被設(shè)計(jì)成25mm，而是30mm。
于是我返回原點(diǎn)，重新設(shè)置，計(jì)算。DONE！
這次真的成了！一支給MICRO FOUR-THIRD相機(jī)用的30mm F2.0標(biāo)準(zhǔn)鏡頭就初步定稿了。至少它可以作為一個(gè)原始方案繼續(xù)發(fā)展下去。 唯一的不足是60線對(duì)/mm的MTF徑向曲線在接近近軸視場(chǎng)70%的地方，下降了。但是它的切向MTF還是很好的。尤其是近軸部分的光學(xué)表現(xiàn)極為出色。不但曲線平坦光滑，徑向與切向表現(xiàn)極其接近，而且還原能力都在50%以上。 讓我們等待工程師來進(jìn)一步的優(yōu)化它吧！
在上面的步驟中，我沒有使用任何優(yōu)化工具，沒有對(duì)鏡頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何修正。大家可以看到，我無論如何點(diǎn)擊鏡頭結(jié)構(gòu)圖中UPDATE按鈕，鏡頭的結(jié)構(gòu)在焦距縮放的過程中是不會(huì)有任何改變的。也就是說一只給120相機(jī)用的100mm鏡頭和一只給MICRO FOUR-THIRD相機(jī)用的30mm鏡頭，沒有結(jié)構(gòu)上的任何區(qū)別。
但是他們對(duì)應(yīng)的MTF表現(xiàn)和像差是截然不同的。小像場(chǎng)的鏡頭要好伺候得多！天生的！
我再深入讓大家看看衍射極限的問題。有些朋友覺得大像場(chǎng)的鏡頭有很好的衍射極限特性，因此分辨率可以達(dá)到很高；小像場(chǎng)鏡頭受衍射極限的限制，因此分辨率做不高。
上面的例子已經(jīng)很好的回答了分辨率的問題，40線對(duì)/mm的空間頻率（就是分辨率）都做不好的120鏡頭，你還指望它的更高的分辨率能高到哪里去？
讓我繼續(xù)用軟件來顯示這個(gè)原始結(jié)構(gòu)100mm鏡頭的衍射極限。首先是調(diào)用衍射極限顯示。
看到這個(gè)對(duì)話框中有一個(gè)SHOW DIFFRACTION LIMIT的選項(xiàng)嗎？打勾！DONE!
出現(xiàn)了黑色曲線，這根很平直的黑色曲線就是目前這個(gè)鏡頭的衍射極限。在這里我更換了一種MTF讀取方式，將橫坐標(biāo)改為空間頻率，最高為60線對(duì)/mm。實(shí)際的MTF曲線離開理想的衍射極限相差甚遠(yuǎn)。根本達(dá)不到的！
我接著將鏡頭縮短為30mm。您看！衍射極限曲線，沒有任何變化。而MTF曲線確實(shí)有很大提升，盡管如此，離開衍射極限曲線還是相差甚遠(yuǎn)。
所以，一個(gè)鏡頭的基本結(jié)構(gòu)才是決定衍射極限的最根本因素。衍射極限與焦距無關(guān)！在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根本達(dá)不到衍射極限！在實(shí)際使用中，對(duì)于照相機(jī)鏡頭來說，可以完全忽略什么“衍射極限”這種偽概念！
面對(duì)一大堆枯燥的參數(shù)，您如果能夠堅(jiān)持看到這里，說明您還真實(shí)我的忠實(shí)粉絲！先喝口咖啡放松一下。肯定，這篇文章不是給初學(xué)者看的。
有人會(huì)問我，您為什么對(duì)這些技術(shù)參數(shù)如此癡迷？而不是好好研究如何拍照？我的回答是：我在理工科和攝影藝術(shù)方面的精力差不多各花了50%。攝影從它誕生之日起就是一門基于技術(shù)的藝術(shù)！這個(gè)也決定了它與繪畫的重大區(qū)別。以前，甚至還有一大堆感光化學(xué)需要學(xué)習(xí)。應(yīng)該說是數(shù)碼技術(shù)的普及大幅度降低了學(xué)習(xí)攝影的難度。否則您可能連黑白膠片也沖不出來。
在感謝數(shù)碼科技之余，我想說的是：在攝影這個(gè)藝術(shù)領(lǐng)域，本身就有很多訓(xùn)練是需要依靠技術(shù)方式解決的，比如“透視”。 比如我以后教透視的時(shí)候會(huì)動(dòng)用可以移軸的技術(shù)相機(jī)。
在相機(jī)方面，了解得越深入一些，越容易讓您決定在什么場(chǎng)合使用什么相機(jī)組合？使用什么鏡頭組合？當(dāng)硬件不能完全解決問題的時(shí)候，才能知道如何用“軟”的辦法來解決。
比如，經(jīng)常有人問我。為什么不可以把全幅28mm廣角鏡頭直接轉(zhuǎn)到MICRO FOUR-THIRD規(guī)格的奧林巴斯相機(jī)上做標(biāo)準(zhǔn)鏡頭？我的回答是：可以的，但是不是最佳方案。在設(shè)計(jì)鏡頭的時(shí)候，原始的結(jié)構(gòu)決定了鏡頭的特性。全幅28mm廣角鏡頭是反射遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的，是大FOV的廣角鏡頭，高空間頻率的再現(xiàn)并非它的強(qiáng)項(xiàng)。如果能您看了我上面的設(shè)計(jì)步驟，就不會(huì)再問我同樣的問題了。同時(shí)，您也避免了因?yàn)槭褂貌磺‘?dāng)?shù)溺R頭轉(zhuǎn)接方式，從而而得到一張分辨率不高的照片。這就是攝影者、文科愛好者了解理工科知識(shí)帶來的好處。
如果您是一位理工愛好者，您或許會(huì)問我：設(shè)計(jì)一個(gè)鏡頭豈不是很容易？不是的！光從幾百個(gè)原始數(shù)據(jù)中確定一個(gè)比較好的型號(hào)就很花時(shí)間，還需要進(jìn)行一定的改進(jìn)設(shè)計(jì)才能知道可不可以進(jìn)一步發(fā)展。有時(shí)候往往做到幾步以后就廢了。接下來還需要進(jìn)行約束和優(yōu)化，公差分析，鍍膜分析，等等，等等。總之是一件非常煩人的工作。其實(shí)這篇文章我很早就想寫，可惜要找這么一個(gè)原始模型就花了很長(zhǎng)時(shí)間。在光學(xué)部分完成以后，還有機(jī)械設(shè)計(jì)的一大段路要走。
我錄制了一段設(shè)計(jì)步驟的視頻，大家可以去網(wǎng)站上看看MTF曲線是如何跳起舞來的。
我還要再補(bǔ)充一下，最近富士也緊跟著哈蘇推出了中片幅的數(shù)碼微單，5000萬像素級(jí)別的。他們宣布旗下的配套鏡頭也對(duì)應(yīng)5000萬像素的要求。5000像素的是個(gè)什么概念呢？ 傳感器尺寸是：43.8 × 32.9mm；像素分布是：8272 × 6200 pixels。我初步推算一下分辨率的技術(shù)要求是：達(dá)到與傳感器產(chǎn)生衍射干擾狀態(tài)是94線對(duì)/mm，那么實(shí)際要求降低50%（防止出現(xiàn)衍射），也就是47線對(duì)/mm，通俗點(diǎn)說:鏡頭是按照45線對(duì)/mm的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估的。屆時(shí)看看具體公布的參數(shù)究竟如何？如果是這個(gè)參數(shù)，對(duì)應(yīng)5000萬像素的傳感器是綽綽有余（不過考慮到像素?cái)?shù)量的飛速發(fā)展，好像還是有些不足）。以現(xiàn)在的技術(shù)，將120鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)制定的這么高，還是有一些難度的。 我知道要在微信上看清楚我啰嗦的大段文字著實(shí)吃力，我還是建議大家到www.91paizhao.com上面，用電腦大屏慢慢看。 “91拍照” 官方微信服務(wù)號(hào)，攝影課程盡在“91拍照”， www.91paizhao.com現(xiàn)已上線，歡迎體驗(yàn) ”91拍照旗”下的微單攝影頻道，為微單攝影愛好者提供最新鮮的微單資訊，討論微單愛好者共同關(guān)心的話題：攝影、美器、美食、旅游、家居。讓微單成為我們共同的輕奢話題。 “佳強(qiáng)連”，佳能文化，旅游攝影盡在佳強(qiáng)連，91拍照旗下微信訂閱號(hào) 徠卡范，玩相機(jī)，品人生！91拍照旗下微信訂閱號(hào)
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