从玻璃看世界

现代镜头工业的发展，已经不可避免的将各类镜头功能化，已适应不同的拍摄条件
上图为 Canon 全系列镜头展示，Canon 单镜头一项即有超过 100支以上的不同品种

        最原始的相机，可能只是一个包裹的纸箱加上一个针孔就完成了。然而，在现代的相机中『镜头』可说是每一台被称作『相机』的必备要件。完美的照片在很大程度上依赖一个具有良好质量的镜头。但是，即使具备了最高质量的镜头，通常也只适用于部分的拍摄环境。在某些环境中成像良好的光学系统，在其它环境中很可能会产生完全不同的结果。从本单元开始，我们将讨论一系列有关镜头设计和制造所面对的一些问题和理论，透过单元解说让网友深入了解镜头构造，从而在选购时能综合参考的依据。这部分内容不单有助于数字相机的网友的知识和选购，传统相机的使用者也可以透过技术说明了解不同镜头设计所产生的效果与变化。

镜头设计的基本构思

        许多第一次购买相机或数字相机的网友，在本站查阅『规格表』时，不免疑惑？为什么镜头里面的镜片还要分『群』和『组』呢？镜头不过就是用一些玻璃透镜的组合不是吗？但是，实际上来说并没有那么简单。任何镜头在设计的一开始就必须面对一个大自然不变的定律：『光线是直线前进！』。这意味着镜头设计者必须巧妙的运用玻璃的特性，弯折光线，又不能造成光线的损失。设计者还要考虑使用者的便利性，例如：变焦功能的加入，可以让摄影师不用载扛着相机跑来跑去，站在原点就可以拉近景物来拍摄。如何兼顾便利性，成像质量、涵盖区域及最终取到体积小、重量轻、成本低的产品。都是在从设计图纸上跃入最终生产线的种种考虑。

        现今的镜头约80％以上，还是依赖『玻璃』这个相当古老的产品完成组合与设计（部分廉价的相机镜头采用透明压克力和塑料镜头(以高分子合成材料，如聚苯乙烯制成）。和一般窗户用的玻璃不相同，镜头所用的原材料是光学专用玻璃，这主要是以包含钡、镧、钽氧化物的混合物，以提高其折射率。而通常用于制造相机镜头的光学玻璃其折射率一般不低于 1.5，并具备低色散能力。现代镜头玻璃材料已大量使用稀土原素，如氧化镧、氧化钽等。稀土技术的应用对改善镜头的强度及提高镜头的光学性能十分有效。

光线可以弯曲

       如果只是单纯的把景物和底片摆在一起，中间没有任何的镜头或针孔。那么来自物体表现各处所散射的光线，都会均匀分布在底片上，造成全面曝光而无法成像（见下图）。不过，当你使用针孔暗箱时，除少数来自物体的光束外，大部分的光线都会受到暗箱的阻隔，只有透过针孔的光线，才会在暗箱底板形成一个上下颠倒，左右相反的影像（见上图）。不过，针孔的缺点在于它实在太小，入光亮不足，无法让底片上的化学物质感应，可是如果把针孔挖大一点，那么本来被挡住的光线又会涌进暗箱，造成影像模糊。所以，一个能强力集中光线的『镜头』，应运而生。

        利用不同类型的玻璃所产生的特定的折射率和色散率（Dispersive Power），让光线偏向并集中强度和大小，成为镜头设计的最基本理论。折射率（RI）是指玻璃折射光线的能力，通常按光谱中段附近的光线波长（一般为590nm的黄绿光）进行测定。折射率越高，斜射进入玻璃的光线沿人射方向偏折得越严重（见下表）。

        而玻璃的『色散率』是指红、蓝色光折射率之间的差异。这差异越大，自然阳白光被分离成为的彩色光谱带就会越宽，类似三棱镜或小雨滴将日光色散为彩虹一样。由于被摄物体往往不是单一颜色，加上人造的各种混合波长照明光具的生产与使用。人眼所见到的物体色彩，不一定能100％的在底片或是 CCD上表现出来，特别是光线本身再被镜头玻璃分色的话，色偏会更加严重。因此，色散性能也是考验摄影镜头玻璃的一项重要指标。

        基本上，折射率和色散率没有关连性，所以任两种不同玻璃的折射率相同，而色散率可能不同，反之亦然。因此，镜头设计者可以搭配不同性质的玻璃来取得最佳折射效果。此外，由于玻璃本身具有易碎的特性，在加工生产镜头的同时又必须考虑让它具备防震耐摔的性能。特别是很多镜头玻璃必须修饰成各种不同的形状和抛面，在制造的过程中不能使其发生破裂；而提高生产良率，要求玻璃中不能有缺陷（如：气泡和杂质），则是一项减少浪费，降低成本的基本要求。总结以上，镜头玻璃的生产，牵扯到机具的稳定，添加物的含量，标准化的技术，种种关卡。每一关卡的失误，都会造成镜头玻璃无法修复的损失。所以，尽管数字相机的品牌林立，但是不少厂商还是宁愿购买大厂的镜头，用来搭配本身的机身，也不愿投资生产风险颇高的光学镜头，原因在此。

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