对于画幅为36mm×24mm的135全画幅相机来说,43mm左右焦距的镜头统称为“标准镜头”,具体包括了40-50mm焦距的定焦镜头,可以宽松地扩展到55mm或58mm。在这些新老镜头的光学结构中,主要有双高斯对称(Double Gauss)、天塞(Tessar)、索纳(Sonnar)、反望远(Inverted Telenes)及前组内凹等几种主要光学结构设计。
双高斯对称(Double Gauss)结构
双高斯对称结构,Planar结构, 主要用于50-100mm的标准镜头和中长焦镜头中。该镜头结构具有较好的像场平整度,并对球差、像散、色差等给予了很好的校正。
Planar_lenses
早期的Planar结构在诞生时,由于镜片数量较多,且当时并未发明镜片镀膜技术,镜头的抗反光性能并不高,会产生一些严重的耀斑现象。而且,此种镜头在光圈全开时的慧形像差较明显,以导致成像偏“软”的现象,因此早期Planar结构镜头的光圈并不大,只能达到F4.5。之后,通过不断的改良,到1950年代已经能很容易地实现F1.4光圈。过去很长时间里,各大厂商的50mm标准镜头结构都非常相似,F1.4光圈的镜头大多是6组7片结构,而F1.8光圈大多是5组6片的设计。
Planar 1896
在双高斯对称结构设计中,也存在一些“变种”镜头,其中最具传奇色彩的当属蔡司为美国国家航空航天局(NASA)定制的Planar 50mm F0.7。这支镜头的光学结构可以分为前后两部分:前部4组6片相当于一个大光圈的85mm中长焦镜头,后面的2片相当于一个减焦增光结构——今天,Metabones、SpeedBoost等减焦增光转接环,基于同样的设计思路。
为了修正慧形像差,相机厂商开始在高端标准镜头中引入非球面镜片,比较具有代表性的产品有尼康Noct 58mm f/1.2(1片大口径研磨非球面)、AF-S尼克尔58mm f/1.4G(2片非球面镜片),索尼的Planar T* 50mm f/1.4 ZA SSM(2片非球面镜片),佳能EF 50mm f/1.2L USM(1片非球面镜片)等。值得一提的是,索尼Planar T* 50mm f/1.4 ZA SSM镜头还采用了后组对焦,对焦性能比采用整组对焦的大多数标准镜头表现更好。
天塞(Tessar)结构
天塞结构,也常称为蔡司天塞(Zeiss Tessar)。最初的天塞结构得最大光圈仅为F6.3。由于该光学结构的设计相对简单,典型的天塞镜头中设计有4个镜片,并将其分做3组(第3片与第片为粘合),具有解像力高、反差高、畸变较小的特点,压倒了之前的各种镜头,并获得了“相机的鹰眼”的美誉。
天塞结构的镜头还可分为前组与全组两种对焦设计:前组对焦设计的优点是制造工艺较简单,但球面像差的矫正有一定的损失,而全组对焦设计则采用了全镜头整体式对焦的设计,对球面像差的矫正较好,但缺点是机械结构的设计较为复杂,成本也相对较高。
现代的标准镜头中,采用天塞结构的产品大多为薄型镜头或者说饼干型镜头,代表产品有佳能EF 40mm f/2.8 STM(4组6片结构,包含1片非球面镜片)、尼康的AI尼克尔 45mm f/2.8P(标准的3组4片)、Contax Y/C 45mm f/2.8(标准的3组4片)、福伦达40mm f/2.0 Ultron(5组6片结构,包括1片非球面镜片)等。
索纳(Sonnar)结构
索纳结构最突出的特点是重量轻、结构简单且光圈较大。与Planar结构相比,索纳结构中的镜片多采用了粘合工艺(第2、3、4片镜片及第5、6、7片),其镜片表面与空气的接触面更少,能大幅提升对比度及控制耀斑的产生。与天塞结构相比,其最大光圈下的色散控制能力更得以大幅提升。
如今,提到索纳结构,大家首先想到的都是135mm f/2、135mm f/1.8这样的大光圈中长焦镜头。实际上,在标准镜头中,索纳结构也偶有客串,例如蔡司的ZM 50mm f/1.5镜头等。
反望远结构
众所周知,望远式镜头均采用了前置凸透镜,后置凹透镜的放大原理,而反望远式机构正好与之相反,多用于焦距较短的镜头,主要是解决单反、摄影机、大画幅短焦需要较长镜后距的情况。在光学设计上也有其他好处,比如入射光线更垂直于CMOS影像传感器,可大幅提升镜头在整个画面区域上的分辨率(尤其是边缘画质)。而且,此种结构还能大幅改善四角失光的问题,并能将最大光圈增大。但是,反望远结构也有其缺点:前组镜片的直径较大,整体的长度与体积也较大。例如,蔡司Otus 55mm f/1.4是77mm的口径,重量约为970-1030克,而适马的ART 50mm f/1.4 DG HSM也同为77mm滤镜口径,重量也达到了815克。
虽然反望远结构设计能做到大光圈及边缘的高画质,但其体积与长度较大,且需要添加一些补偿镜组,来改善整体成像质量。
这是由于反望远式结构为非整体对称式设计,在近距离拍摄时,其成像质量往往会降低,或是造成场曲像差(由像场弯曲引发的像差),因此在结构设计中往往会加入一些额外的近摄补偿镜片与机构,以便在近拍时改变不同镜片间的相对距离,来提高成像的清晰度。
前组内凹式设计
近年来一些标准镜头采用了前组内凹式结构,代表产品有索尼E 35mm f/1.8 OSS、FE 55mm f/1.8 ZA,腾龙SP 45mmf/1.8 Di VC USD,蔡司的Milvus 50mm f/1.4与85mm f/1.4。其实,这些镜头也可分为两部分:前组相当于是一组广角附加镜(为了减焦增光),后组则是一个中长焦大光圈的光学结构,例如上文提及的蔡司50mm f/0.7镜头,就是将“广角附加镜”加在镜组后端,这种前组内凹式结构则是将“广角附加镜”加在镜组前端。
从蔡司Milvus 50mm f/1.4的镜组设计中(前组内凹式),可以看出第1片镜片为凹透镜,主要起到减焦增光的作用(左图),此种设计将逐渐成为大多数新一代标准镜头的设计。
值得一提的是,蔡司Milvus 50mm f/1.4和索尼在2011年公布的50mm f/1.4镜头结构非常相似,这种设计不仅能改善画质,还可以实现光学防抖和内对焦,提高镜头的分辨率,但也有可能造成几何畸变的增大,需进行矫正。