为什么镜头卖这么贵？镜头技术入门科普！

摄影既是一门艺术，也是一门科学，这一点在镜头的构造上体现得尤为明显。

每一张照片背后，都离不开一组复杂的镜片、镀膜工艺和设计决策。

这篇文章将带你拆解镜头的组成部分，理解它们在成像中的意义，并认识那些至今仍影响现代镜头设计的经典光学结构。

    镜头的构成

·什么是镜片（Lens Elements）？

镜头最基本的构成，是一组特殊形状的玻璃元件——也就是“镜片”。这些镜片有的凸起（凸透镜），有的凹陷（凹透镜），也有复合曲面（如非球面镜片）。镜片的作用是以精确的方式折射光线，使其聚焦到传感器或胶片上。光线在镜头内并不是直线前进的，它需要经过多次折射，以校正像差、提高锐度、减少畸变。

·什么是镜组（Lens Groups）？

镜片会被组合成“组”，也就是多个镜片一起协同工作的单元。这些组合可以是使用光学粘合剂“粘”在一起的，被称为“胶合组”；也可以是留有空气间隙的。

镜组通常在对焦或变焦时，会作为整体来移动。

这里以徕卡的Leica M-APO-Summicron 50mm f/2 ASPH镜头为例，在中间的竖线是光圈。它在光圈前部有3枚镜片，在光圈后有5枚镜片。后部的两片镜片组成一组，它们前面的两片镜片组成另一组，靠近前部的两片负弯月镜片组成第三个组，剩下的两枚镜片单独成组。因此这就构成了这颗“5组8片”的镜头。

镜组的设计会直接影响镜头的复杂度、重量、成本和性能。更多的镜组可能意味着更先进的光学设计，但并不一定代表画质更好——关键在于设计者所作的取舍。

    镀膜：画质的无形守护者

镜头镀膜，就是“电介质镀膜”，是涂覆在镜片表面上的超薄材料层，用以减少内部反射，降低炫光与鬼影，提高图像对比度和色彩还原度。

镀膜能最大程度地提升透光率，让实际通光值（T 值）更接近理论光圈（F 值）。

镀膜是如何演进的：

1935年，蔡司的 Alexander Smakula 发明了真空镀氟化镁工艺；

1941年，Kodak Ektra 成为第一款搭载抗反射镀膜镜头的相机；

1956年，Minolta 推出首个多层镀膜消费级镜头；

1970年代后，多层镀膜成为了行业的主流。

左图为未镀膜的蔡司ZE 21mm f/2.8 Distagon 镜头，右图则为带蔡司 T* 镀膜的版本。

如今，除了少数特殊的镜头，例如部分电影镜头可能故意不镀膜，以创造特定的风格化外，几乎所有现代镜头都具备多层镀膜。

镀膜的作用：提升逆光环境下的对比度；控制色散，提高色彩准确性；降低光损耗，提高画面亮度；防水防油防尘（例如氟镀膜）

   经典的光学结构

尽管到了现代，随着技术的进步，镜头普遍会使用电脑软件来模拟辅助设计，结构也变得更加复杂且丰富，但许多镜头的“基础结构”仍源自19世纪至20世纪初的一些经典结构，这里介绍几种几个最具代表性的设计：

·消色差双胶合镜组（Achromatic Doublet）

这是光学设计上最早的突破之一，它由两种不同玻璃材质（通常是冕牌玻璃和燧石玻璃）组成的双镜片。

一般来说，当不同波长的光聚焦于不同点时，就会产生色差，导致边缘出现色散。而双胶合透镜的创新之处在于将不同波长的光同时弯曲，有效地减少了早期镜头中常见的彩虹状伪影。即使在今天，许多内部透镜组仍然依赖于这一原理。

·Cooke三片式结构（Cooke Triplet）

库克三片式透镜由丹尼斯·泰勒于1893年发明，在双合透镜的基础上，增加了第三片透镜。它的前部为正透镜（双凸透镜），中间为负透镜（双凹透镜），后部为正透镜（双凸透镜）这种设计能够显著改善球面像差和色差的校正效果。

库克三片式镜头是镜头设计史上的一座重要里程碑。它率先实现了赛德尔像差的全部五项校正 ：球面像差、彗形像差、像散、匹兹伐场曲和畸变。

这种结构也通常被认为是现代摄影光学的鼻祖，从上世纪的紧凑型相机镜头，甚至到今天的许多现代镜头，仍然都有许多镜头的设计是基于它进化而来的。因为它简单直观，在适中的光圈下就能提供出色的画质表现。

·天塞结构 （Tessar）

天塞结构最初由保罗·鲁道夫于 1902 年为蔡司设计，这个结构可以说是是摄影史上最具传奇色彩的光学结构之一。

其结构主要包含3组4片镜片：前部为正片冕牌玻璃镜片，中央为负片火石玻璃镜片，后部为负片组，由负片凹面火石玻璃镜片和正片凸面冕牌玻璃镜片粘合而成。

天塞结构最大的特点就是能使成像清晰且锐利，并且提高画面的对比度。它使用的镜片较少，比较适合不超过F2.8的较小光圈镜头使用（但也有超过的）。

实际上，上世纪几乎所有采用定焦镜头、主打便携的35mm胶片相机的镜头设计都很可能参考了天塞及其衍生的结构。例如禄来35、奥林巴斯μ等机型的搭载的镜头。

·双高斯结构 / Planar 结构（Double Gauss / Planar）

最具影响力和持久力的光学设计之一是双高斯，它起源于卡尔·高斯在1817年设计的望远镜。后来，这一结构以蔡司的“Planar”为名，在摄影镜头上得到了新的发展。

双高斯结构通常通常由6-7片镜片组成，呈现对称的形式，由一对正弯月型的镜片围绕着中央的负组。其最大特点就是可以实现大光圈，同时有效减少球面像差、场曲和畸变。

正因其比较适合大光圈镜头，因此它成为了之前许多50mm大光圈标准定焦镜头的设计基础。上世纪许多50mm标准定焦镜头都采用了双高斯及其衍生的结构。

·松纳结构（Sonnar） 

Sonnar（松纳）结构是蔡司在20世纪30年代另一项发明，其特点是让空气与玻璃的接触更少，这意味着反射更少，成像的对比度更高。其经典结构一般包含3组5~7片镜片，后部的镜片较厚且更加贴近胶片（或传感器）。

Sonnar结构相比Tessar结构更容易实现大光圈，但又比同样容易做出大光圈的双高斯结构更加紧凑，这使得它成为旁轴镜头的理想选择，由于其成像的对比度高、还能产生较为独特的虚化效果，因此它成为了主攻人像摄影的镜头或街头人文镜头的热门选择。

·反远摄结构（Retrofocus / Inverted Telephoto）

当单反相机兴起后，镜头设计就出现了一个问题：由于反光板的存在，在镜头设计上就需要在后方留出反光板的空间。而传统的广角镜头设计无法与胶片保持足够远的距离，因此设计师们设计了反远摄结构。

远摄镜头由正片组和负片组组成（负片组位于后部），放大图像并将后焦距缩短至比镜头焦距短的数值。这使得远摄镜头的焦距比其本身的焦距短。

倒置远摄设计则恰恰相反。它在镜头前端使用一个或多个负透镜组，将后焦距增加到大于镜头焦距。这使得内部部件（例如单反相机的反光板）可以位于镜头后方，同时仍能实现广角的视野。

   现代镜头的设计元素

到了现代，随着光学技术、电子技术、工业生产技术的进步，在镜头设计上出现了更丰富的技术元素。

·非球面镜片（Aspherical Elements）

传统镜头元件通常是球面的——也就是说，它们的表面是一个球体的一部分。虽然球面镜头更容易制造，但它会产生球面像差，尤其是在大光圈下更加明显，这就导致需要使用其它的镜片来进行校正。

而非球面镜片的表面曲率从中心到边缘会发生变化。这种非球面轮廓使其能够使镜头使用更少的镜片来校正球面像差、像散和其他畸变。

由于用一片非球面镜片就可以达成需要由好几块球面镜片来校正的像差等效果，这可以减少镜头的镜片数量，使得镜头的体积更小，所以从某种意义上来说，使用非球面镜片反而更经济。

以前，由于制造工艺复杂、成本较高，非球面镜片曾一度仅用于一些特殊的镜头。但到了如今，随着技术的进步、工艺的成熟，目前非球面镜片在一些入门级镜头产品中都相当常见了。

·内对焦 / 后对焦（Internal / Rear Focusing）

一些老镜头通常采用整个镜头的镜片来实现对焦。而到了现代，普遍采用内对焦或后对焦设计。对焦时，镜头不用再“兴师动众”移动整个镜头的镜片，而是近移动部分内部的镜片来实现对焦效果。

这也带来了诸多的好处，例如提高自动对焦速度；提升镜头的防尘防水性；更适合配合滤镜等等。

·浮动镜组（Floating Elements）

大部分镜头在设计上通常会针对特定的工作距离进行优化，以实现更清晰的画质。不过，当对焦更近时，由于镜头内部元件的移动，场曲和其他像差会导致画质的下降。

为了解决这个问题，一些定位较为高端的镜头配备了浮动镜组，这些镜片会独立于主对焦组移动，“实时”地进行移动，使得即便在不同的对焦距离下，镜片之间也能维持特定的间距和结构，从而确保在整个对焦范围内，镜头都能达成更加一致的画质性能。

直接的表现就是：采用了浮动镜组设计的镜头在近摄时画质损失也不明显。

   用一张简表理解镜片和镜头技术对镜头使用产生影响

理解镜头的光学构造，有助于找到最符合你拍摄需求的器材。例如风景摄影师可能重视边缘锐度和抗炫光能力，而人像摄影师则更在意焦外虚化和低色差表现。

   总结

镜头构造不仅是参数表上的数字，更是物理、工程和艺术的交汇。当然，这篇文章也仅能作为光学和镜头技术的入门科普，让你更了解手里的镜头一点点。但了解它们，不仅能让你在选购时更理性，也能让你更深刻地欣赏你手中的器材。

毕竟，你每一张精彩的作品，都是光线在镜头中恰到好处地“弯折”后形成的奇迹！

图文来源：PetaPixel