恒定最大光圈镜头的光圈是如何恒定的?

为什么我的套头光圈就不恒定呢?

玩过镜头的人可能都知道这样一个现象,那就是在镜头的焦距由最大旋转到最小的时候,内部的光圈从全开的状态收缩了一点,于是不禁产生了疑问,是不是镜头人为缩小了广角端的光圈来制造恒定光圈的假象呢?动手党可能会想,可不可以拆掉那个东西来扩大最大光圈呢?别急,下面就告诉大家这是怎么一回事。

由于镜头的实际光路比较复杂,所以本文就从简单的分析入手定性的描述镜头恒定光圈的原理,以及副光圈的实际作用。

首先,关于f制的光圈,我们都很清楚这样的概念:

f值=镜头焦距÷有效孔径

由此大家就在想了:对于变焦镜头,光圈是不变的,但焦距变了,所以焦距短的时候f值比较大,焦距长的时候f值会比较小。所以恒定光圈就是按照远摄端光圈制造,再在广角端用额外的光圈叶片遮挡来实现的(他们总会看见镜头内的副光圈的运动)。这样广角端不是白白浪费了有效通光孔径?不过,实际情况并不是这样,毕竟厂商不会浪费这种好资源来“为了恒定而恒定”。

那么,问题出在哪里?

平时我们说的“光圈”一词,一般就是指f制光圈。那么恒定光圈当然就是f值恒定了。关于焦距不会有人有别的想法。但是“有效孔径”的理解就不一样了。有些人认为就是光圈的物理直径,这样对它的理解偏差直接导致了对光圈恒定的错误理解。

那么有效孔径的定义是什么?

还是以这张图为例,

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光圈f值(又叫相对孔径)=焦距÷有效孔径(又叫入瞳孔径)

这里面焦距是焦平面与主轴焦点跟后主点的距离。

有人会问,后主点是什么?具体的概念比较不容易理解。请参照其他文献。这里能告诉大家的是,后主点就相当于大家在很久以前学过的凸透镜当中的凸透镜的光心,只不过镜头不能当做凸透镜,于是起了个新名字。也就是说,主点就相当于“镜头透镜”的光心。

有效孔径我们在这里这样定义:

当平行光入射时,最后一枚镜片最边缘射出光线的反向延长线与主点所在垂直于主光轴的平面(主面)的交点围成的圆的直径(这里是AA')。

清楚定义后我们来大致看看变焦镜头的情形:

光路

由图可见,镜头的远摄端和广角端的光圈物理直径并没有变化,D=D'。不过,有效孔径随着光学元件的移动是变化的。那么恒定光圈是如何实现的?

很简单,只要 F/d=f/d' 或是 F/d≈f/d' 即可。

这意味着在变焦全程,只要焦距变化率有效孔径的变化率差不多就可以实现恒定光圈了。这也就是说,恒定光圈镜头实现的要求就是要保证这两个变化率的“一致”,而不是去控制物理光圈直径的变化。

接下来我们就说那个“副光圈”

它是干什么的?

总会有些细心的玩家去看自己的镜头,他们会发现有些镜头内有个光圈会随着变焦过程或对焦过程而缩放,便觉得这个光圈是维持恒定光圈用的,镜头的广角端光圈理应能更大。当然这种想法是有一定道理的。

这个附属的光圈就叫副光圈。不过显然我们没有了解副光圈的真实用途。

下面举例来说它有什么用。

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这是EF 180mm f/3.5L USM Macro的结构示意图,它是Canon的第一支L级别微距镜头,也是最早引入副光圈的镜头之一。作为一只定焦镜头,它并不需要维持恒定光圈。结构图中镜头中部是主光圈,后部是副光圈。对焦时副光圈前的镜片发生移动。此时就会带来光路的改变,导致非成像光线的进入。不可避免的,它们会发生乱反射,这就是造成眩光和其他杂散光成像的原因。为此设计师们选择布置了一个的副光圈,在不影响主镜头有效孔径的前提下,随对焦位置的改变而改变直径来遮挡掉那些杂散光,以此来提高逆光下的画质。

在变焦镜头上副光圈也有布置,广角变焦镜头布置较多:

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这是EF 16-35mm f/4L IS USM,前方的光圈是副光圈,后方是主光圈。两组光圈所夹的那组镜片就是IS组件。副光圈前的镜片是对焦组。前面讲了,有人认为是维持恒定光圈用的,这样的看法并不正确。它的主要用途仍然是遮挡掉那些非成像杂散光。广角变焦镜头内光学元件的移动更为复杂,对大角度入射的光线的折射能力也更强,因此副光圈的设计好处就更明显了。当然,副光圈也有对f值微调的作用,但绝不是浪费广角端的有效孔径。否则f/5.6恒定的镜头也应当很常见才是。

在非恒定光圈镜头上,副光圈也会布置在变焦或对焦移动组附近:

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这是EF-S 10-22mm f/3.5-4.5 USM。副光圈在对焦组前方,作用仍然是遮挡光路的改变带来的杂散光。如果想用它来恒定光圈的话,理应很容易对不对?不过设计师并没有选择这样做。

最后,我们要明确的是,理论上单凭副光圈改变有效孔径来控制恒定光圈也不是不可以曾经的EF 28-80mm f/2.8-4L USM即可加入副光圈来实现f/4恒定。但这很显然是不必要的。浪费掉1/2级以上的f值来实现所谓的恒定光圈既是愚蠢行为,也会浪费成本。因此没有这样的先例。通常,副光圈的微调至多是1/3级,通常还要更低。因此不要以为自己拆掉了副光圈就可以扩大广角端的光圈。

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