一文追相機(jī)發(fā)展史，深度了解鏡頭原理

其實(shí)也有又輕又小，還很便宜的相機(jī)鏡頭，我們買(mǎi)過(guò)一款最大光圈一點(diǎn)四的五十毫米定焦鏡頭，只要三十多塊錢(qián)。當(dāng)然更多的鏡頭是你我買(mǎi)不起的，比如萊卡這款同規(guī)格的定焦鏡頭要三萬(wàn)多塊錢(qián)，購(gòu)買(mǎi)三塊512個(gè)的iphone 12pro max 湊齊九個(gè)鏡頭高效制品。相機(jī)鏡頭為什么這么貴？又為什么如此笨重？

攝影是光的藝術(shù)相機(jī)通過(guò)感光介質(zhì)記錄光線(xiàn)信息，鏡頭的作用就是匯聚光線(xiàn)，但要準(zhǔn)確的收集光線(xiàn)并不容易。早期的相機(jī)鏡頭只有一片凸透鏡。當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)時(shí)會(huì)向內(nèi)折射并匯聚在一點(diǎn)上，形成一張上下顛倒的圖像。只要正確對(duì)焦，理論上你就能得到一張清晰的照片。如果現(xiàn)實(shí)和理論一樣完美，那么這只只用一片鏡片的三十三塊錢(qián)定焦鏡頭也應(yīng)該是名副其實(shí)的牛頭。但當(dāng)你真的用它拍照時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它拍出來(lái)的照片是這樣的。這種實(shí)際成像與單一透鏡理想成像之間的差距叫做相差。對(duì)于只有一片凸透鏡的鏡頭來(lái)說(shuō)，影響最大的相差是球差和色差。

求差是指通過(guò)透鏡中心光線(xiàn)匯聚的焦點(diǎn)，與通過(guò)邊緣光線(xiàn)匯聚焦點(diǎn)不同的現(xiàn)象。它是造成成像邊緣模糊的主要原因之一。色差則分為位置色差和倍率色差兩種，主要原因是光的色散在同一介質(zhì)中，不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)進(jìn)速度不同，導(dǎo)致折射的偏折角度有所差異。這就是色散和太陽(yáng)光被三棱鏡分散成彩虹是一個(gè)道理。所以白光在通過(guò)凸透鏡時(shí)，紅光和藍(lán)光的焦點(diǎn)并不重合，物體成像的邊緣就會(huì)出現(xiàn)色斑，這就是位置色差。而由于不同單色光的折射率也不同。在通過(guò)凸透鏡后，他們的放大倍率也不同。所以即便矯正了位置色差，單色光的放大倍率差異仍然會(huì)使同一物體的向大小出現(xiàn)差異。影響清晰度，這就是倍率色差，你在拍照時(shí)看到的紫邊、彩虹邊等現(xiàn)象不少，就是由倍率色差導(dǎo)致的。

無(wú)論是球差還是色差，都是凸透鏡本身的問(wèn)題，而解決問(wèn)題的方法是加更多的透鏡實(shí)現(xiàn)相差校正。最簡(jiǎn)單的思路是在凸透鏡的一側(cè)增加一塊凹透鏡。組成常見(jiàn)的雙核驍色差透鏡，這兩片透鏡有兩種色彩能力，不同的材料制成，組合在一起后，后方的凹透鏡可以抵消前方凸透鏡產(chǎn)生的色差。讓不同波長(zhǎng)的光聚焦在同一個(gè)平面上。此外，光線(xiàn)在通過(guò)凹透鏡時(shí)產(chǎn)生的球差與凸透鏡恰好相反，所以這一組合就能讓光線(xiàn)精準(zhǔn)匯聚于一點(diǎn)。而在球差和色差之外，相機(jī)鏡頭還需要面對(duì)多種難纏的相差。這需要把更多的鏡片搭配在一起才能勉強(qiáng)解決。比如歷史上著名的鏡頭結(jié)構(gòu)之一，快速直線(xiàn)結(jié)構(gòu)就是通過(guò)四片兩組完全對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)。讓左側(cè)鏡片組產(chǎn)生的多種相差在右邊自動(dòng)校正，采用這種結(jié)構(gòu)的鏡頭幾乎不會(huì)產(chǎn)生畸變。在當(dāng)時(shí)廣泛用于建筑和風(fēng)光攝影。

為了對(duì)付各種相差，如今就連這種手機(jī)鏡頭也有五到七枚鏡片，這款拍的更遠(yuǎn)的長(zhǎng)焦鏡頭有十八片鏡片，至于變焦鏡頭基本都是十幾片起步。但問(wèn)題是，組合堆積鏡片不光會(huì)增加體積和重量，還可能帶來(lái)新的相差。比如許多廣角和長(zhǎng)焦鏡頭在拍攝時(shí)的畸變就是因?yàn)椴煌哥R對(duì)同一物體不同部分的放大倍率不同。導(dǎo)致成像邊緣變形，要想減少畸變，只能優(yōu)化鏡片組設(shè)計(jì)，或者增加特殊的非球面鏡片矯正，或者用更好的光學(xué)玻璃來(lái)制造鏡片。

這些都會(huì)增加鏡頭的體積或重量，同時(shí)推高設(shè)計(jì)難度和成本。所以這些即便小的高品質(zhì)廣角或成交鏡頭，基本都身形龐大，售價(jià)高昂。而像這種能容納極廣視角的魚(yú)眼鏡頭，能通過(guò)物理方式矯正****的移軸鏡頭，能放大微小細(xì)節(jié)的微距鏡頭對(duì)鏡片組的設(shè)計(jì)要求就更高了。所以相機(jī)鏡頭之所以又大又沉，一方面是為了獲得更大的通光量，另一方面也是為了塞下更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更好的畫(huà)質(zhì)，滿(mǎn)足更苛刻的需求。

而在鏡片結(jié)構(gòu)之外，鏡頭還需要靠多層鍍膜來(lái)提高透光率，同時(shí)避免光線(xiàn)在鏡頭內(nèi)的多次反射形成的鬼影或眩光。添加防抖模塊。讓你手持幾斤重的設(shè)備也能拍出清晰的照片。總的來(lái)說(shuō)，相機(jī)鏡頭是設(shè)計(jì)成本極高的產(chǎn)品，多年以來(lái)，廠(chǎng)商們主要依靠物理手段去馴服光線(xiàn)，只是為了在最終的成像質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)普通人甚至難以感知的微小提升。而愿意為此花錢(qián)的人畢竟不多。比如佳能從一九八七年起就開(kāi)始生產(chǎn)ef系列鏡頭，花了二十七年，總共賣(mài)了一億只，鏡頭是最暢銷(xiāo)的鏡頭群。而iphone 手機(jī)在二零零七年發(fā)布后，只用四年時(shí)間就輕易達(dá)到了這個(gè)小目標(biāo)。高昂的生產(chǎn)成本加上相對(duì)較小的用戶(hù)群，共同推高了這些鏡頭的價(jià)格，只有專(zhuān)業(yè)人士或者不差錢(qián)的大師才愿意燒錢(qián)。

而在鏡頭，廠(chǎng)商們用物理手段在光學(xué)道路上死磕的同時(shí)，智能手機(jī)又從另一個(gè)維度擠壓了鏡頭市場(chǎng)。從二零一二年之間拍照的人越來(lái)越多。但鏡頭的出貨量卻連年下降，其實(shí)手機(jī)同樣要面臨相機(jī)鏡頭面對(duì)過(guò)的一切光線(xiàn)難題。不過(guò)年輕人不講武德，他們可以用更高效且討巧的算法去解決問(wèn)題。通過(guò)基于各類(lèi)算法的計(jì)算攝影，你的手機(jī)在大部分場(chǎng)景下已經(jīng)不輸傳統(tǒng)相機(jī)，他們可以應(yīng)對(duì)光比極大的場(chǎng)景，通過(guò)后期軟件做出類(lèi)似的魚(yú)眼移軸效果?？梢酝ㄟ^(guò)激光測(cè)距模擬出逼真的郊外虛幻。更棒的是，他們隨時(shí)都在你的手邊，而拍到了什么比拍的畫(huà)質(zhì)有多好，更加重要。所以我們自己，也逐漸放棄了那些又大又沉的相機(jī)鏡頭。更何況手機(jī)可以幫你美顏磨皮，甚至換頭，而相機(jī)鏡頭的光學(xué)素質(zhì)越強(qiáng)，越能把你臉上的痘痘、油光和隕石坑一個(gè)不辣的記錄下來(lái)。更真實(shí)不等于更受歡迎。

不過(guò)在某些時(shí)刻，你身處一片廣闊的草原，遠(yuǎn)方飛過(guò)一群候鳥(niǎo)，一個(gè)孤獨(dú)的深夜，你看著天上的銀河。人生中第一次在花叢里看見(jiàn)一只蜂鳥(niǎo)，在這些時(shí)刻，也許你會(huì)和我們一樣懷念那些吃灰多年的笨重鏡頭。