镜头知识:恒定光圈 非球面及色散

    很多摄影新手对于镜头参数中的恒定光圈、浮动光圈、非球面镜片、低色散、超低色散等概念有点混淆，这里整理一下。

一、浮动光圈与恒定光圈

　　数码相机和镜头的“光圈”参数中常常不是一个恒定的值，如F4-5.6，F2.8-4.5 等等，这是什么意思呢？这表示其镜头的最大光圈在不同的焦段是不一样的，此即“浮动光圈”，与之相对，一些高档镜头最大光圈值只有一个，如F2.8，这就是恒定光圈了。

　　浮动光圈镜头的光圈会随着焦距的变化而相应变化，如AF变焦尼克尔1：4.5-5.6/80-400mmD镜头，也就是说此镜头如果我们保持最大光圈4.5时，在80mm为F4.5，随着焦距的增加，光圈实际上逐渐发生变化，到400mm端时，虽然光圈环的数值仍在F4.5的刻度上，但如果从相机取景窗内看光圈显示的话，实际光圈却悄然地变成了F5.6。

　　再如我们以70-210mm/F4.5-5.6变焦镜头为例，当你用F8光圈在70mm端用A档手持拍摄时，假定快门速度为1/125秒，根据快门速度与焦距的原理，则不存在“手震”的负面影响，你能够拍摄到很清晰的照片，但当你把将焦距推至到210mm端时，而且在光线不变的情况下，那么此时光圈会“自动”地变为F11，在光圈优先模式下，相机的快门速度也就会根据镜头通光量变化而自动地将快门速度改变至1/60秒，这时就开始有点小问题了，如果你仍然手持拍摄必然会产生因“手震”带来的负面影响，结果就是难以拍摄到清晰的图片(实际需要1/250秒以上的速度才能克服“手震”影响，或者使用脚架等稳定相机)，有许多人看着一大堆模糊的照片，无比悲愤地认定自己使用的变焦镜头是“狗头或烂头”，被镜头制造厂家的廉价镜头给骗了，这中间确实存在着一种对镜头生产厂家的误解，是一些摄友对浮动光圈镜头会“自动浮动”的这个天生的特点不了解的一种误解，也是一些摄友在使用浮动光圈变焦镜头后，经常会出现照片效果不理想或片子糊了的根本原因，因此浮动光圈镜头有一个很出名的雅号：叫“无声杀手”，它会无声无息地谋杀你的胶卷或画面效果。

　　浮动光圈镜头所以要这样设计，主要目的是为了减轻透镜的直径、重量和降低制造成本，但浮动光圈镜头的最大的缺点就是：你必须要忍受随着焦距的变长镜头光圈口径也跟随着下降的痛苦、在低照度光线下不能手持拍摄、不得不使用更高感光度、景深变化等等的痛苦，因此一些发烧友有了银子就总想烧一烧定焦镜头或恒定光圈变焦镜头，这是有一定道理的。

　　光圈的相对口径也可称为焦强，即镜头允许光线进入的能力，指镜头上的光孔。光孔越大，光就进来得越多，所需曝光时间就越短，因相机抖动对清晰度的影响就越小。即使在光线较弱时，光孔大的镜头也能拍摄(如F1.2、1.4、2、2.8等)，而在使用光孔较小的镜头时就很难拍摄了(如F4.5以上)。

　　光圈口径大小对所需要的透镜直径影响非常大。焦距短时，透镜离胶片层距离很近，光线能量损失很少，小直径光孔就足够了。焦距长时，一方面光进入路径长，另一方面长焦距取景的范围小，光线能量损失也大。

　　如果想让同样量的光线到达胶片，光孔直径就应必须相应地增大。基本公式是：在焦强(光圈)不变的情况下，焦距增加一倍其透镜直径也必须增加一倍。如100mm焦距的镜头想与普通标准50mm焦距镜头一样的达到F2.8，光孔直径就是普通标准镜头的2倍，200mm镜头的直径则必须是普通标准镜头的4倍，400mm镜头的直径就是必须是标准镜头的8倍，这就是为什么同样相对孔径的长焦镜头的透镜直径必须比广角镜头大上几倍的根本原因所在，也是制造恒定光圈变焦镜头的主要原理所在。

二、非球面镜片

　　光学透镜通常是制成球面状的，从透镜中心到周边有一定的曲率，这种透镜称为球面透镜。而非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的，非球面透镜又有单面和双面两种。当镜头使用了非球面镜片之后，主要优点有以下几个方面：

• 可以克服“球差”，可制成大孔径的高像质镜头，目前一般高档的镜头里都含有1片或1片以上的非球面镜片，这也是判断镜头品级的因素之一
•  全面提高成像质量
•  减少镜头的重量和长度，有利于镜头的小型化。 

　　一般相机镜头若是采用球面镜片时，所形成像差是因为当不同波长的光线以平行光轴入射后镜片上不同的位置时，在底片或数字传感器上不能聚焦成一点，因而影响影像的品质。使用球面镜的投影是开放分散的圆。非球面镜片改变了镜片呈现非球面的弧度，从镜片边缘看，你发现坡度不是完美的弧形。要选用哪种弧度，二次、三次曲线、甚至更高阶层的计算公式，各家制造商都有其专利的计算方式。总之这些设计与计算就是方便光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，消除各种像差和畸变(枕状或桶状)。这点特别适用于广角变焦镜头，能有效消除因广角造成的畸变。

三、色散 低色散 与超低色散

　　同一光学介质，对不同波长光的折射率是不同的，也就是说，对于一枚镜头而言，不同色光的焦点位置实际上是不一样的，这必然导致很多成像问题，其中之一就是色散。

　　众所周知，我们看到的白光都是由不同波长的光合成的。当白光通过三棱镜时，我们会看到七色光谱，这种复色光被分解为单色光的现象，即被称为“色散”。而这种现象导致的结果则被称为色差，是由于镜头没有把不同波长的光线聚焦到焦平面而造成的。它会导致画面清晰度降低，如果色差非常严重，就会使照片中对比强烈部分的边缘上出现异常颜色线条。

　　为尽力解决色散问题，厂商开始着手开发以低色散材料为基础的镜片。

　　在天然材料中，一种叫萤石的矿物质就具有局部色散的超低色散特性。质地均匀且透明的萤石是一种极为珍贵的材料，俗名翡冷翠。 

　　天然萤石镜片具有非常优秀的消色差性能，但是其性质并不是很稳定，而且生产成本过于高昂，所以通常只应用在极少数售价高达数万元的高端镜头上。由于天然萤石结晶体积一般很小，而且质地并不都很均匀，所以佳能公司开发了人工萤石结晶技术，制造出人工萤石镜片，一般直接称为萤石镜片。

佳能第一支采用萤石镜片的镜头 FL-F300 F5.6

　　然而，不论是天然还是人造萤石镜片，成本对于大众来说都太高了。所以各大厂商又纷纷研发萤石镜片的替代品。这些由光学玻璃混合专利氧化物制造的镜片被称为超低色散镜片，有着和萤石镜片相近的光学性能和相对较低的成本。采用这些镜片的镜头具有很强的抗色散能力，成像清晰度高，色差小。

　　不同厂商生产的超低色散镜片名称不同，如佳能的UD，尼康的ED，腾龙的的LD和适马的SLD等等，我们可以在部分产品上看到这些标注。当然，为获得更好的效果，现在一些消费级DC的镜头中也采用了超低色散镜片。

尼康 AF300mm/f2.8 远摄镜头（蓝色标示的镜片为ED镜片）

　　尼康的超低色散镜片（ED）：是由尼康公司在1972 年研制成功的，命名为（ED - Extra-low Dispersion），不仅拥有极佳的锐利度表现，而且抗色差的性能不逊于 Canon 的 UD 系列镜片。 

腾龙AF 70-300/4-5.6 LD

　　腾龙公司开发的抗色散镜片技术称为LD—— Low Dispersion。此外，腾龙公司还研究出一种特别处理的树脂非球面表层，通过粘贴的方式附在 LD玻璃镜片上，形成LD-非球面混合镜片，一举解决掉抗色散与变焦变形两大困扰。