鬼故事会 - 定焦镜头特征大全（一份有关定焦镜头的硬核科普）

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提到定焦镜头，很多人便会津津乐道，他们大概会问：

光圈有多大？

成像锐不锐？

是不是红圈、金圈啊？

画质好不好？

有多贵？

……

其实类似这些问题问得都有些外行了，因为他们都只是看到一些外观和表面，关于镜头的知识积累还不足以令他们关注到更深层、更本质的东西。

那么，关于「定焦镜头」到底有哪些值得关注和学习的硬核知识呢？这便是影像君借以此文与大家共同探讨的问题。

一、名字简史

对于摄影爱好者而言，「定焦镜头」这个名字已再熟悉不过了。但你可能不知道，其实它原本并不叫这个名字。

在摄影发展初期，市面上只有一种镜头，这种镜头的焦距不可变化，因此，当人们谈论「镜头」（lens）的时候，默认指的都是单一焦距镜头（single focal length）。后来随着摄影技术的发展，出现了在主流市场以外的「辅助镜头」，它们具有焦距可变的重要特点，亦即我们现在所熟知的「变焦镜头」（zoom lens）。于是，为了区分两者，人们特意创造了一个新词——prime lens——以命名焦距不可变的镜头，我们大概可以将其译为「主要镜头」或「优质镜头」。

我之所以说「大概」，一方面是因为摄影技术发展早期，单一焦距镜头才是主流，而且大部分都做工优质，价格不菲；另一方面，「prime」是一个多义词，它可以表示主要、初级、基本、一级、优质等多种意思，需根据具体语境，方知其表达涵义。

比如，当在镜头与机身之间连接一个远摄转换器（teleconverter，亦即我们所说的「增倍镜」，如图1-1所示）时，这枚镜头便称之为prime lens，即「一级镜头」或「原始镜头」，如图1-2所示：

图1-1：1.4x的远摄转换器

图1-2，Photo by Tamasflex.

为了更好地区分和表达，后来的人们又将单一焦距的镜头称为「Fixed focal length lens」（固定焦距镜头），简称FFL，亦即我们现在常说的「定焦镜头」。

有人可能会问：同一样事物，有必要搞那么多名堂吗？

其实这并非故弄玄虚，而是英语世界的更加「较真」，更重视逻辑清晰与定义准确。当他们说定焦镜头（FFL）的时候，你要明白这是相对变焦镜头而言的；而当他们说prime lens的时候，你应该留意其语境，是否指相对增倍镜而言的一级镜头。

二、定焦镜头的「内」「外」观

说完了定焦镜头的名字简史，接下来我们从外观和内部两个方面深入剖析定焦镜头。因品牌众多，设计有异，这里仅取Canon的一枚定焦镜头作为剖析样本。

2.1 外观标识

这是佳能的一枚专业人像定焦镜头，型号为Canon EF 85mm f/1.2 L II USM。如图2-1所示：

图2-1：Canon EF 85mm f/1.2 L II

先解释一下其型号里的各项参数所代表的含义：

Canon：品牌名称；

EF：Electronic Focusing，电子对焦 ，即机身自动对焦系统指挥镜头内置的马达带动镜头对焦；

85mm：焦距；

f/1.2：最大光圈值，f（记住是小写）后面的数字越小，表示光圈越大；

L：英文Luxury（奢华）的缩写，Canon专业镜头的标志；

II：第二代；

USM：表示镜头配有超声波马达（Ultrasonic Motor），可令对焦既快速又安静。

继续观察图2-1，我们来拆解其外观的各个主要部件：

（1）Canon金属卡口；

（2）焦距；

（3）自动对焦/手动对焦的开关；

（4）镜头外部的刻度为光圈值，内部显示的为对焦距离（ft，英尺）和景深范围（m，米）；

（5）对焦环；

（6）红圈，是Canon专业镜头的特有标志，亦即「红圈头」俗称的由来；

（7）镜头型号标识；

（8）滤镜接口螺纹。

2.2 内部构造

了解完了镜头外观的各个组件，我们再来看看镜头内部的构造。

如图2-2，这是上面这支定焦镜头（Canon EF 85mm f/1.2 L II USM）的内部构造的剖面图：

图2-2

这支镜头是「7组8片」的结构，意即由8片共轴排列、独立7组设计的透镜组成，其中①为光圈叶片所在位置，②为一块研磨抛光非球面透镜，其余均为球面玻璃透镜。

这里需要解释两个名词，所谓「球面透镜」，是指透镜表面的弧度为球体的一部分，反之则为「非球面透镜」，如图2-3所示。

图2-3：非球面透镜，Photo by ArtMechanic

至于两者的具体区别及特性，此处暂时按下不表，后面章节会有详解。

看镜头的外观和内部构造，还只是知道了它的一个概况，想要深入了解镜头的知识，还需要加入几个视角。这便涉及到了评估镜头成像素质的几个重要指标。

三、几个重要衡量指标

设计生产一枚镜头，是为了它能捕获到清晰、准确、细腻的图像，但现实的世界从来没有那么理想。一枚镜头，不仅要面临内部透镜之间光学特性的互相制约，还要面对外部复杂光线（包括不可见光）对透镜成像的干扰。那么，有哪些指标可以衡量和评估一枚镜头的成像表现呢？

3.1 折射与色散

当一束白光从空气中进入一枚三棱镜时，由于传播介质发生了变化，光的「相速度」也会随之改变，于是，光波会在空气与棱镜的交界面发生折射现象（refraction）。同理，当光波再从棱镜进入空气时，同样也会发生类似现象，于是在棱镜的另一侧便会出现一道彩色的连续光谱，此即为「色散现象」（dispersion），如图3-1所示：

图3-1

这里需要注意区分折射与色散的关系：

很多人将两者等同为一回事，这其实是错误的。折射是色散的原因，色散是光波折射的结果，不能因果倒置。另外，当我们在谈论色散时，默认都是限定在「可见光」的范围，而折射则不然，它还可以是其它类型的波，比如声波，当然其遵循的规律也会不同。

根据光的折射定律，光在介质中的弯曲程度是由介质固有折射率决定的，又，根据斯奈尔定律（Snell's law）可知，介质的折射率越高，光线的折射角越小，折射光的方向越靠近法线。图3-2为光线在水中发生折射：

图3-2

再来看色散。

若光线穿过一块高色散的普通透镜，其在焦点处形成的光谱会比较宽，反之，若穿过一块低色散的透镜，其形成的光谱则会比较窄。意即：色散越低的透镜，折射后的光束便越收敛。如图3-3所示：

图3-3，photo via gearexpert

高色散的普通透镜带来的最大危害是，图像边缘会出现彩色的重影，轮廓不「实」，严重影响画面的清晰度，这种现象称之为「像差」，下文会详细讲到。

因此，高折射率、低色散是评估一枚镜头成像表现的关键指标。

为了追求更高的折射率，研发人员将铯或镧元素添加至透镜材料中[1]，这种独特的材料比普通玻璃拥有更高的折射率（如图3-4所示）。而使用硅酸玻璃（crown glass）、火石玻璃（flint glass）、萤石（fluorite）等材料制作光学透镜，则可达到更低的色散度[2]。

图3-4，photo via wikipedia

3.2 像差（aberration）

所谓「像差」（Aberration）是指光线穿过透镜之后并不汇聚于一点，而是分散至焦点以外的其它区域。

光学系统中的像差有很多种，这里主要讲其中的两种：

球面像差（spherical aberration）和色彩像差（chromatic aberration）。

3.2.1 球面像差

由于制作工艺难度较低，如今大部分光学设备的透镜都采用球面设计。于是，当光线穿过球面透镜时，发生了反射和折射，其中，部分入射光经透镜折射后并未汇聚于焦点处，而是分散于焦点以外的区域（如图3-5所示），这种焦点的偏移直接影响了对焦与成像画质。

图3-5

而若将透镜的另一面设计成非球面则可缓解球面像差带来的影响，如图3-6所示。

图3-6

在一些对画质和成像精度要求较高的领域，如商业摄影、天文观测、医疗设施、导弹制导系统等，研发者通常会加入一片或多片高精度低色散的研磨抛光非球面透镜，由于材料成本和工艺难度较高，因此这类专业镜头往往售价不菲，因此有人调侃「单反穷三代，镜头毁一生」。

3.2.1 色彩像差

所谓「色彩像差」（Chromatic Aberration），是指镜头未能将所有色彩聚焦于一点，从而导致了图像边缘处出现色彩偏移（如图3-7所示）。上文介绍的「色散」，便是导致出现色彩像差的直接原因。

图3-7，photo via gearexpert

根据形成原因的不同，色彩像差又可以分为轴向色彩像差（Axial chromatic aberration）和侧向色彩像差（Transvers chromatic aberration）。两者的主要区别在于焦点位置的不同，前者聚焦于光轴上的不同位置，常见于长焦镜头中；后者聚焦于光轴两侧的边缘，常见于广角镜头中。两者并非互斥，也可能在某些镜头中同时存在。原理及成像示意图如图3-8所示。

图3-8，photo via ResearchGate

色彩像差一直是困扰光学物理学家们的一大难题，为了最大程度地纠正色彩像差带来的对焦错误，获得更佳精度的成像，研究者们为此作过不少尝试与探索，如采用两种不同材质玻璃组合而成的消色差双合透镜（Achromatic doublet），具有色散互补特性的衍射光学透镜（Diffractive optical element）等，还有上文提及的具有超低色散特性的萤石玻璃透镜（Fluorite）更是成为了如今高端镜头中的主流应用[3]。

结语

无论是定焦镜头，还是变焦镜头，只要是光学透镜，色散和像差都是衡量成像素质的两个关键指标。了解其背后的原理，有助于我们更好地评估一颗镜头的成像表现，在挑选镜头时心中也有个可供参考的知识体系，免于被人带入坑里。

一颗优质的专业镜头，不仅要求成像的中央区域无明显色差，色彩还原准确，图像锐利，而且图像的边缘区域亦不能出现明显畸变或色彩偏移。这样用一句话就能说清楚的需求，看似简单，也合乎情理，但一旦遇到了「光」这种看得见摸不着、性格千变万化的对手时，面临的困难与不确定性也便指数级地增加了。

摄影圈有一句人人皆知的流行语「单反穷三代，镜头毁一生」，这当然是一句针对单反相机和镜头售价昂贵的调侃，但是，我们可以换一个角度来看问题：虽然我们暂时不能拥有那些昂贵的镜头，但是将它们视为「知识晶体」，深入学习，提升自己的摄影知识层次，又何尝不是一件乐事呢？

参考文献

[1]THORIUM-FREE, LANTHANUM BORATE OPTICAL GLASS, freepatentsonline.

[2] Robert R Shannon, The Art and Science of Optical Design,Cambridge University Press.

[3]Chromatic Aberration,wikipedia.

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