【光电智造】相机镜头工作原理图解

一

机身

数码影像传感器是相机机身的基本元件

好吧，并非所有人都同意镜头很重要，但是请听我说。当然，足够的像素、顺手的操控、准确的测光、较高的ISO感光度、可靠的降噪、精准的快门以及机身所有的其他方面都很重要。然而，我已经越来越觉得机身淘汰得很快。这并不是说机身的价格很便宜，但在过去的15年中，我接触过大量机身。如果不算胶片时代，我接触单反相机的历史要从佳能D30开始，我为它存了好几个月的钱。之后，我使用过D60、300D、350D、450D、400D和550D。在这期间我也接触过XXD和XD系列，但因为我的大部分时间都在写针对入门用户的摄影书，所以我更愿意使用入门级相机。相机机身的每一次更新，更多的是一些小的改进，而非一次革命。佳能、尼康和其他厂商保持让每一台新机器都比前代的只有轻微的提升。我敢打赌没有多少人说得出500D和550D之间有多大差别，但是把600D和300D放在一起比较的话，你就能发现它们之间有着巨大的差距。更好的传感器，更好的人体工学，更好的操控，更好的画质，更好的电池寿命，以及相似的价格。太棒了。
二

关于镜头

我想说明的是，在过去15年终我拥有过许多不同的机身，但有一样东西一直没变：我的镜头。我并不经常购买镜头，但每次都只买最顶级的。我目前使用的最老的镜头是一支已经有差不多10年历史的70-200mm
f/2.8。它非常锐利，拥有优秀的AF性能，是我最喜欢的镜头之一。如果今天有人偷了它，我明天就会去最近的商店买一支完全一样的。或者是最新版的70-200/2.8。这支70-200镜头最棒的特点是技术界闻所未闻的：随着使用时间的增加它会越来越好用。或者说：每次我升级机身后，用同样镜头获得的画质都会有一些提升。相机内的传感器和处理器都有提升，意味着我能获得更好的分辨率和的色彩，以及更低的噪点。

一、如何平衡机身与镜头的预算
我们的第一节课是：购买镜头时，买你负担得起的最好的那支。如果你打算在机身上花700美元，那么就不该在镜头上也留700美元的预算。换句话说就是：别在机身上花太多钱而省下镜头的预算。否则最终你会失望的，没有什么比没达到预期效果更让人泄气的了。

在我的器材花费中，机身只占到15%
这里我想说的是：如果你考虑买一部中档机身配一支中档镜头，我会很严肃地建议你换成买一部入门机身和一支高档镜头。当你升级机身时，就能感受到好处了。
第二点需要说的是，不要因上面的建议而感到泄气。如果你的预算只有700美元，不要以为一定要在机身和镜头上各投入一半。你的第一台相机完全可以配一支套头，而且仍然能拍出好照片。另外在后文你还会看到，我们可以只花一笔小钱（对摄影器材而言）就买到非常锐利的镜头。
好，下面我们就正式开始讨论关于摄影镜头的话题。

二、镜头的作用

让我们从基础开始：摄影镜头是一种由一枚或多枚镜片构成的设备。“镜片”指能够以不同方式“弯曲”光线的有一定形状的玻璃。镜头中的每一枚镜头都有不同功能，但它们组合在一起的作用是在成像芯片上结出清晰的影像。
镜头的任务只有一样：将光线聚焦与成像芯片上。这句话听起来很简单，其实镜头设计有极高的技术含量。设计镜头最大的挑战是你不会希望镜头的成像仅在一部分清晰，而会要求在整个画面上都清晰，包括边缘和四角。
如果这听起来还不够复杂，这里还有变焦镜头。对变焦镜头而言，除了要满足上面的要求之外，还需要在可用焦段范围内都能精确地聚焦光线。这其中的复杂性已经超过本文的范围，不过可以确定的是那些能设计出镜头的工程师都是绝顶聪明的人。

三、镜头的组成部分
在我们深入讨论概念和技术之前，先看看镜头中不同部分的名称：

镜头内部的东西一般不需要用户考虑。你还记得以前的录像机上都贴有“严禁用户自行维修”的标签吗？这一点对大部分——如果不是全部——镜头也同样有效。你唯一需要了解的事情是，镜头内部各有不同数量和功能的镜片。
镜片中有些是固定在镜筒上的，有些则是可移动的。镜头头有可移动镜片（组）的主要原因是为了实现对焦、变焦或光学防抖。具体内容后文会讲到。
镜头外部有很多不同的开关和标识。不同厂家的镜头外观看起来会有很大不同，不过上图中标出了主要的镜头标识。你能在镜头上发现的主要的开关是“MF/AF”切换键——用来在手动对焦和自动对焦之间切换。

四、关于焦距
你能听到人们关于镜头谈论最多的事情之一就是焦距。
什么是焦距？
如果你曾经好奇过什么是焦距，那可能已经在百度百科或类似的网站看到过如下的解释：“焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。”
你看懂了吗？是啊，我也没懂，而且我还是以此为生的。让我们把这个问题简化一下。当光线通过镜头时，会上下颠倒：

另一方面，因为影像会颠倒，所以单反相机中需要用五棱镜（位于相机顶部）将影像再次颠倒回来：

让我们回到主题上。从图中你能看到，成像光线会在镜头内相交于一点。在光学上，这个焦点称作“节点”（译注：在同介质中，主点与节点重合）。从节点到影像传感器的距离称作“焦距”（译注：实际上焦距是主（节）点到焦点距离，从主（节）点到成像元件的距离等于焦距加调焦距离，特定条件下可近似简化为焦距）：

为什么焦距很重要？
镜头的焦距决定了视场，也就是镜头能够拍到多“宽”的画面。后面我们会提到“广角”和“长焦”的问题，不过这里我们先看焦距。
想象一下如果光线的交点离传感器比较近的情况。这会让被摄体的成像较小：

现在，想象一下如果光线交点远离传感器的情况。这会让被摄体的影像变大：

你可以看到，短焦距会产生较宽的视场——这就是短焦距镜头被称作“广角”镜头的原因。反之也成立：长焦距产生较窄的视场，这类镜头被称作“长焦”镜头。

五、变焦与定焦镜头
我之前曾暗示过，有些镜头可以拥有不止一种焦距：

早期的镜头都只有单一的焦距，但后来聪明的工程师开始思考：如果一支镜头能有不同的焦距该多好？换句话说：如果只用一支镜头就既能拍摄近处较大的物体（比如建筑和风光），又能拍摄远处较小的物体（比如足球场上的运动员）那该多好？
科学家们研究出一种改变镜头结构的方法，因此可以改变镜头的节点靠近或远离传感器。通过这种方法，他们发明了变焦镜头。
当变焦镜头诞生后，就需要一个名字来称呼不可变焦的镜头——定焦镜头。

六、光圈及最大光圈
除了焦距外，另一样最常被人们谈论的镜头参数是“光圈”。光圈（Aperture）的单词是“打开”（opening）的意思，用来描述镜头中用来使光线通过的开孔的尺寸。
光圈值用与焦距有关的分数来表示，这也是“f值”（f stop）的由来。光圈的大小用f值衡量。

这里关键要了解的是这个分数：如果你用一支焦距为50mm的镜头拍摄，光圈为f/2.0，这就意味着开孔的直径是25mm（译注：应该是入瞳直径为25mm，并非光圈的物理直径）。怎么得到的？50/2=25。类似的，如果你用f/4.0光圈拍摄，孔径就是50/4=12.5mm。
你是否已经注意到，当f值变大时，光圈会变小？这一点很重要。f值是分数，所以f/2比f/4大，f/4又比f/8大。
光圈如何影响镜头？
你可能已经想到了，较大的光圈（较小的f值）意味着有更多光线通过镜头，这有助于在弱光环境中拍摄。
在选择镜头时，要考虑的最重要的一点就是最大光圈。最大光圈可以表示一支镜头有多“亮”。一般来说，越亮越好。

七、镜头上的标识是什么意思？
现在，我们来看看你会在镜身上看到的一些数字具体都是什么意思。
通常镜身标识中的第一组数字是焦距，以mm为单位。如果数字只有1个，说明这支镜头只有一个焦距，也就是定焦镜头。如果有2个用横杠连起来的数字，说明这是一支变焦镜头。
标识中的第二组数字是最大光圈。如果只有1个，说明这是一支恒定光圈镜头。如果有2个数字，这是一支可变光圈镜头。下面这张图能帮助你记忆：

你会看到的其他标识包括：
∞-0.5m——有时你能看到这个“无限大”的符号。这是对焦距离，也就是镜头能够工作的范围。横杠右边的数字是最近对焦距离，通常会同时用米和英尺标注。
IS/OIS/VR——这些是影像防抖（Image Stabilised）、光学影像防抖（Optical Image Stabilisation）、或者震动减弱（Vibration Reduction）的缩写。这说明你的镜头中有一组由马达驱动的“浮动”镜片。镜头会检测震动的方向和强度，然后反向移动镜片以抵消震动。
Ø——你会在镜头上看到这个符号，后面还跟着一个以mm为单位的数字。这是镜头前组的直径。在购买螺口滤镜时就能用到。螺口滤镜的直径必须与镜头上的一样。
Asph/ASP——表示镜头内拥有非球面镜片。非球面镜片可以有效减少摄影镜头的像差。
Macro/CRC——这个标识标识该镜头针对微距摄影用途进行了特别设计，适合用来拍摄花朵、昆虫等小物体。注意，并非所有微距镜头都能产生1:1大小的照片。
USM/HSM/SWM——这些分别代表超声波马达（Ultrasonic motor）、高速马达（High Speed Motor）和静音超声波马达（Silent Wave Motor）。搭载超声波马达的镜头AF速度更快，更安静。
DX（尼康）/EF-S（佳能）——这些镜头是针对APS-C机身设计的。它们更小，更轻，但不能用于全画幅相机，因为成像圈较小，后镜组离传感器距离也较近。
其他标识——很多镜头厂商都有其附加标识。比如佳能会在专业镜头上印上红色的“L”字母；适马会给特殊镜片标上“EX”等。制造商喜欢使用听起来很高档的缩写词，但它们对摄影师来说并非意味着一切。

八、可变光圈
我们已经讨论过光圈，并引出一个新的概念：可变光圈。

可变光圈镜头是指最大光圈会随焦距变化的变焦镜头。回想一下什么是光圈：允许光线通过的光孔，用焦距的倒数来表示。所以，100mm焦距镜头f/2.0光圈表示孔径是50mm（译注：应为入瞳直径）。
让我们对28-135mm f/3.5-5.6镜头做一个数学计算。在28mm，你可以使用f/3.5光圈，28/3.5=8mm.当我们变焦到135mm，最大光圈是f/5.6，孔径是135/5.6=24mm。
那为什么不能做成恒定f/3.5的光圈呢？在135mm端，f/3.5需要38mm孔径，为了控制镜头的体积，所以不能做出这么大的光圈。
可变光圈不好吗？

很多所谓的“专业”摄影师不愿意用可变光圈镜头，但其实并没有什么理由应该如此：可变光圈是一种妥协，但所有镜头设计都是妥协。与恒定光圈镜头相比，可变光圈镜头有一些很明显的优势：它们更轻，更小，而且便宜得多。

九、对焦
所有镜头都有进行对焦的方法。“焦点”的技术定义是“来自物方的光线汇聚在某一点上”。

用普通人能理解的话来说，要让景物的某个部分清晰成像，就需要对那一部分对焦。假设现在要拍摄一个物点。为了清晰成像，这个点发出的光线应该聚集在传感器的一个点上。

什么是“合焦”？
在摄影中，如果一张照片上被摄物有锐利的边缘，并且所有边缘都锐利，我么就说它“合焦”了。
对焦工作在镜头内部通过移动一或多枚镜片的位置来实现。移动镜片，就会改变通过光线的路线，从而改变光线聚焦的位置。理想情况下，我们希望光线精确地聚焦在传感器上，此时就成为合焦。
自动对焦
你有两种方法来对焦：自动，或手动。当你使用自动对焦时，相机会给镜头发出信号，镜头就会改变焦点。工作流程如下：

手动对焦
相机自动对焦一般情况下都不错。不过，在某些环境下你可能需要切换到手动对焦。有时相机反复检测也找不到准确的对焦点，比如物体反差较低，或者透过玻璃拍摄之类。
在摄影器材的发展过程中，大多数地方都越来越好，只有一样退化了：老式的手动相机有各种各样的对焦屏来帮助手动对焦。在这个所有相机都有自动对焦系统的时代，手动对焦屏已经不复存在。这意味着现在使用手动对焦比过去要困难一些。如果你的相机有实时取景功能，你可以用它来放大画面，辅助手动对焦。
内部/外部对焦
镜头的对焦方式有两种：内部及外部。它们的区别很简单：对焦时前镜组会动的是外对焦；前镜组保持不动的就是内对焦。
如果你使用镜头滤镜，就会知道有些滤镜依赖于旋转角度工作（比如偏振镜）。如果镜头在对焦时会转动，你就需要先对焦，再调整滤镜。除此之外，没有理由拒绝外对焦镜头。
距离标尺

很多镜头都有对焦距离标尺。距离标尺上标注着从最近对焦距离到无限远的刻度。不过我从来没有发现靠标尺上的刻度就能准确对焦的，真的。
距离标尺真正有用的作用，是提醒你最近对焦距离是多少——尽管这个参数经常会在镜头上单独标注出来。
景深标尺
有对焦距离标尺的镜头通常都有景深标尺。景深标尺上会标有“22”、“11”和“8”的字样。取决于镜头设计，标准的数字也有可能略有不同。
这些数字用来显示在一个特定光圈下的景深与对焦距离之间的关系。当你将光圈设在f/22，并对焦在无限远，你可能会发现在3米之后的景物都是清晰的。

这个距离不错。但如果在前景中也有很多东西该怎么办呢？这样做实际上是在“浪费”景深。此时就要用到景深标尺了：将相机切换到手动对焦，如下图，此时从1米左右到无限远的景物都在景深范围内。

超焦距是一项进阶技术，不过现在你已经知道这些标尺是什么意思，以及如何使用了。

十、镜头接口
镜头必须通过某种方式装上机身——通过镜头接口。接口有2种主要类型：螺纹接口，及刺刀式卡口。前者在新镜头上已经看不到了，所以基本可以忽略。刺刀式卡口的优势很明显：装卸速度快，镜头在机身上更安全，允许设置电子触点——实现自动对焦和自动光圈的必备——等等。

目前佳能镜头使用EF或EF-S卡口。其中EF镜头可以用在EF-S机身上，但反过来不行。因为EF-S镜头是针对小尺寸传感器设计的，缺点就是如果你升级到全画幅机身，EF-S镜头就没用了。
尼康现在的镜头使用F卡口，针对小尺寸传感器的镜头被称作DX镜头。此外还有微单相机使用的Nikon 1镜头卡口。
每一家相机厂商都有自己的卡口，一般都不通用。
用户可以购买转接环将镜头装在不同机身上。对微单相机来说转接更容易，因为传感器和机身都较小。
副厂镜头厂商
尽管尼康与佳能的镜头和机身不能互换使用，但并不意味着你只能买尼康/佳能镜头。这里还有很多副厂镜头品牌可以选择。适马、腾龙、图丽和蔡司都生产针对不同卡口的相同镜头。
副厂镜头并不一定比原厂差。高端的适马镜头一般会同价位的佳能或尼康镜头更好。不过，如果拿最好的副厂镜头和原厂镜头相比，一般来说原厂镜头会稍好一点。
如果你的预算有限，那么最好考虑副厂镜头。我的适马70-200mm f/2.8不如佳能70-200mm f/2.8锐利，但价格要便宜2/3。

十一、图像防抖
很多镜头都有内置的图像防抖系统。这项技术利用了最新的重力传感器，和移动镜片组的马达来消除镜头的轻微抖动。如果你从未体验过防抖系统。去附近的摄影器材商店，找一支长焦镜头（比如200mm），关闭防抖功能观察取景器，然后打开防抖，再次观察取景器，效果非常明显（需要半按快门防抖机构才工作）。
图像防抖可以允许你使用2-4级更慢的快门。当你需要使用1/200s保证画面不模糊时，现在就可以使用1/50s了。因为防抖机构可以抵消一部分抖动。
有些相机机身拥有内置防抖系统，这样可以让你的所有镜头都享受防抖待遇。
关于防抖需要了解的事
防抖技术是很好，但需要知道并非所有震动都可以通过防抖来消除。浮动镜片组本身可移动的距离有限，所以对幅度过大的震动无能为力。此外，有时候你需要移动镜头（比如摇摄），此时防抖系统也会尝试抵消移动。这可能会导致模糊的照片，所以此时需要关闭防抖。

十二、传感器尺寸及焦距乘数
数码单反相机的传感器有许多不同的尺寸。从徕卡S2使用的30×45mm，到所谓的“全画幅”，再到APS-C格式。不同尺寸对传感器有很多影响，但在本文中只涉及到一个问题。
焦距乘数
如果你使用一台传感器尺寸小于36×24mm的相机拍摄，效果就等同于对画面进行裁切。这被称作焦距乘数或裁切系数。它与你向别人解释照片的拍摄焦距有关。

红线框是36×24mm传感器能捕捉的画面，蓝线框是15×23mm传感器拍摄的画面
如果你在全画幅相机上使用100mm镜头，能得到一个确定的视场角。将同样的镜头装在小尺寸传感器相机上，你会发现视场角缩小了。注意这里镜头焦距没有改变，但“等效焦距”由于不同的传感器尺寸而改变了。
在购买镜头时，最好了解等效焦距是多少。举例来说，如果你已经知道拍摄野生动物需要400mm镜头，而你使用的是奥林巴斯的M4/3相机（焦距乘数是2），那么你需要购买200mm镜头，最终能获得与400mm镜头（在全画幅相机上）相同的视场角。
要了解镜头的等效焦距，就要了解传感器的焦距乘数。如果你购买一支70-200mm镜头，在1.4x传感器的相机上其等效焦距是98-280mm。

十三、滤镜
大部分镜头在前端都有滤镜螺纹接口，可以安装各种滤镜。这些滤镜可以实现各种效果，比如为场景增加色彩，帮助压暗场景，增加特殊效果以及其他等等。
滤镜接口

不同的镜头有不同的滤镜接口。通常接口尺寸会标注在镜头前端或镜筒上。找到类似Ø=67mm这样的标识，那就是滤镜尺寸。
方形滤镜

有一种滤镜是“插入式”的方形滤镜，而不是常见的圆形。它的好处是不用为不同尺寸的镜头购买单独的滤镜，只需要更换不同的滤镜座，就可以使用同一套滤镜。
用滤镜保护镜头
很多摄影师会在镜头前装一片天光镜或UV镜来保护镜头。因为滤镜比镜头便宜得多，也更容易更换。
使用滤镜会对画质造成轻微的损失。这是一个有关成本/收益的问题：你是否愿意牺牲一点画质来换取安全。相反，你也可能认为这样做不值得。
后置滤镜

有一些镜头无法在前端安装滤镜，比如像鱼眼这样的特殊镜头。由于前镜组会极端地凸出，所以没有空间安装滤镜。
这些镜头其中一些，设计了后置滤镜槽。你可以把滤镜片从镜头后部插入。这些滤镜没有保护作用，只能用来增加特殊效果。

十四、镜头遮光罩

射入镜头的光线可能会引起眩光、鬼影或其他有害的效果。遮光罩是你的有力助手。
有些镜头会带着遮光罩一起出售，有些则需要另外购买。

十五、增距镜及微距接环
在第十部分我们提到过可以使用转接环将不同的镜头装在不同的机身上。增距镜和微距接环是另一种形式的转接工具。
增距镜

增距镜中装有光学镜片，装在镜头上可以增加焦距。增距镜有不同的制式，但1.4x和2x是最常见的。
增距镜能增加焦距，同时也会减少进光量。一般减少的进光量相当于焦距的增加倍数。比如在f/2.0镜头上装2x增距镜，光圈会相当于f/2.8（译注：f/2.0镜头装2x增距镜后光圈应相当于f/4，即增加2级。）。
微距接环

微距接环没有光学镜片，所以要便宜很多。微距接环还可以叠加，如果你有一个14mm和一个20mm的，就可以组合成34mm的。
微距接环可以缩短镜头的最近对焦距离，用来拍摄微小的东西，同时牺牲镜头对无限远对焦。

十六、畸变
所有镜头都有或多或少的畸变。定焦镜头一般畸变较轻微，因为设计师只需针对一个焦距进行校正。不过随着技术的进步，现代变焦镜头的畸变已经比过去大为改善。
这里有两种畸变需要了解：桶形畸变与枕形畸变。另外还有一种“结合”了这两种的畸变。

对于畸变，你基本什么也不能做。不过可以通过后期软件对部分畸变进行校正。一般来说，不必对畸变过于担心，只要知道是怎么回事就足够了。

十七、像差
除了畸变之外，我们还应该对像差有所了解。光线穿过镜片之后，就会产生各种“误差”。有些颜色的光受到的影响比其他光线更多，也可能由于镜片本身存在缺陷，又或者由于光圈叶片造成的衍射现象，还有多层镜片之间的折射等等因素，都会导致像差。有些像差可以通过软件消除，但大部分都不容易对付。
我可以诚实地告诉你，我对镜头了解很多，但像差却让我头疼。如果你想体会这种感受，可以去维基百科查阅所有关于像差的内容。或者，像很多摄影师一样，忽略这个问题，真的有效。

十八，锐度
照片锐度很大程度上取决于镜头本身的素质，不过如果你只是希望获得某支镜头最佳的锐度，我们就要讨论一下“正确地”使用镜头的问题。
关于锐度，最重要的一点是要明白，对镜头的锐度并非始终一致的：
中心与边缘：基本的规律是镜头中心锐度最高，向边缘逐渐降低。画面的四角由于距离中心最远，一般锐度最低。
变焦范围：一支变焦镜头在不同焦段的锐度也不相同。问题是你很难知道在哪段焦距其锐度最高。有些镜头在两端焦距最锐，说明设计师更关注镜头在两端焦距的表现；其他镜头则在焦距中端锐度最高。
有极少数镜头，其锐度峰值曲线很奇怪。搞清楚锐度与焦距的关系，唯一的方法就是查看MTF曲线，并阅读技术文档。或者你可以像大多数摄影师一样：把这些工作留给科学家去做，自己只专注于拍摄好照片。
光圈：最值得了解的一个问题是，镜头的锐度和光圈值有关系。当使用最大光圈拍摄时，镜头的锐度一般会略有下降。收缩几档光圈后则能得到最佳锐度。但是随着继续收缩光圈，镜头的锐度又会逐渐下降。

最后要指出的是，上面说的“锐利”和“锐度下降”听起来虽然有所差别，但其实际表现的差距往往很小，而且锐度也不是画质的全部。即使你用一支变焦镜头锐度最差的焦距，在最大光圈，把画面重点放在边缘，也仍然能得到一张好照片。别让这些在实验室里才能得到的数据影响你的拍摄。

十九，特殊镜头
除了变焦与定焦镜头之外，还有很多特殊镜头存在。这里我不打算过于深入，只是稍加介绍，知道有这些镜头存在即可。
移轴镜头可以创造倾斜的焦平面。用普通镜头拍摄建筑物有时会遇到问题：如果你与建筑之间有角度，就无法令建筑物的一个面都在焦平面上。为了保证照片清晰，你必须使用小光圈，这可能会带来一些额外的问题。
使用移轴镜头，你可以调整胶片面以适合拍摄对象，可以得到完美的景深：


当然，移轴镜头也可以用来产生相反的效果：创造出浅景深的“微缩模型”效果。
鱼眼镜头用来创作非常独特的视角。与一般镜头尽量避免畸变不同，鱼眼镜头会产生非常夸张的效果。
微距镜头用来拍摄微距画面：昆虫、花朵、医学照片之类。科学摄影师经常会用到这类镜头。

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