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[科普知识] 未来相机变焦镜头？

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晨枫

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发表于 2014-12-13 13:18:06 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2014-12-13 09:49 编辑 ' @1 q! }8 \( g) h% W
$ N3 P( t7 G; Y2 ^
喜欢一点照相的人，对于世界上几大相机和镜头名厂那是如数家珍，C家、N家、P家、O家，各家都用粉丝，为了偶像可以打成一团糟。其实更厉害的镜头大家还不是这些，而是Zeiss、Rodenstock、Schneider这些。不过这些德国厂家现在非常小众，Rodenstock不大活跃，Schneider被韩国三星收编了，和Sony旗下的Zeiss或者Panasonic旗下的Leica差不多了。“真Zeiss”还在蹦达，Hasselblad用的就是Zeiss镜头，还有为各家单反适配的第三厂家镜头，不过Sony傻瓜上的Zeiss就只有哈哈了，Panasonic傻瓜上的Leica也是一样。“真Leica”的名气大，不过镜头技术实际上墨守成规，守着几个传统设计的定焦，当珠宝玩赏不错，当work horse镜头使用就悲剧了。
, i& N. n5 F7 Z6 \: z" i5 q. y) L5 ^- x- l

$ M- A1 a8 M7 S  p* }5 J& l6 W: p; a
- v$ k5 @9 B( y( a8 ?Canon、Nikon这样的镜头家族是传奇式的4 \. M6 ~( z9 m" u, x: ~
1 D, p6 G0 S. K; n0 l

0 y6 }, s& ^- ]  |4 E
# ^1 n- k1 a7 B; [7 {Sony、Pentax的镜头也很成气候
: ^2 O  e: S# ]. f+ K6 B) U( ~/ ?! i& y9 X. C: X
  N9 c5 K9 j: r3 M: h0 C# y& y
就连不大看好的Olympus 4/3这样的后起之秀也不可小视了, Y' G: l- w( S/ ?/ V

$ s) U* ^- B2 ]  t% o) j定焦镜头依然是光学质量的极致，但从实用来说，变焦镜头已经成为绝对主流，部分专业级变焦镜头已经在光学质量上不输定焦镜头了。但没有例外地，所有现在市场上的变焦镜头统统是机械变焦的。也就是说，通过沿光学轴线改变镜片组支间的距离，来改变焦距或者放大倍数。典型变焦方式有旋转式和推拉式。旋转式通过转动变焦环驱动螺杆机构，实现镜片组的前后移动。推拉式则直接推拉，驱动镜片组的前后移动。
; _2 [3 d- z" k1 g* B
2 P# c* _* r4 O  y" z  f# B& B7 L
Canon 28-300L是典型的旋转式变焦，图中手指位置正是变焦环。这是“内变焦”，最前端的镜片是固定的，移动的镜片组在镜筒内部前后移动，这样没有暴露于空气的缝隙，不易进水进灰，但结构复杂，重量和成本都高
* B) d5 V: o. _- c; g2 [$ h6 J+ g5 B' x- B" x/ V1 k% ~1 k" o1 ^9 i+ X
" o; t0 {! h& m) e/ f
Canon 24-70L镜头也是旋转式变焦，但最前端随变焦伸缩，内外镜筒之间的间隙暴露于空气中，容易进水进灰
' n2 C8 u3 g  ]% t3 M
! }( a( W. z) O0 H  c; J8 H
$ @' [4 f" K) m2 A! K6 R9 d! t- O第一代Canon 100-400L就是推拉式，这个位置已经推到最远，暴露出内镜筒。推拉式必定有暴露于空气的缝隙，推拉动作像打气筒一样，容易进水进灰，而且镜筒指向天空或者地面的时候，重力作用会使得外套筒自然滑动，这种zoom creep很恼人，尤其是用于三脚架拍摄的时候; x: M: l& N! i# {( b# `- s

5 y5 d# m  Y" d$ K% o. n% X
1 O( _4 c1 @* ?9 Z2 m$ M旋转式变焦不是简单的螺杆，而是非常复杂的不规则导轨
- i9 @! T( e' v9 n9 {9 G+ V# e8 m; {& R: e) c  D
但机械变焦不仅结构复杂，而且重量较大。更重要的是，变焦直接导致镜片组数量的增加，必须用不同的镜片组矫正在远端、中段和近端的各种变形、色差和其他光学畸变，而镜片书增加本身又带来新的光学畸变。镜片与其他介质（包括空气和其他镜片）之间的界面越多，折射、散射等光学畸变问题就越大，眩光、色散什么的都来了。所以从纯光学角度来说，镜片书越少越好。有名的Zeiss Tessar镜头就是异常简单的四片组，原始设计是1902年完成的，到现在依然是中焦距（35毫米成像时40-50毫米焦距样子）定焦镜头的完美典范。100年来，镜片、光学理论大大发展了，但完美就是完美，不可能比完美更完美。相比之下，Canon的70-200/2.8L IS2具有19组23片镜片。
& _/ m# B+ g8 f  Q* w
8 H3 G% J% P+ v多少年来，镜片数增加被看成天经地义的，这是necessary evil。但是美国桑迪亚国家实验室最新的专利可能改变未来变焦镜头的设计。桑迪亚是洛斯·阿拉莫斯、劳伦斯·利弗莫尔等齐名的国家实验室。洛斯·阿拉莫斯和劳伦斯·利弗莫尔以核武器研究为主，桑迪亚则是非核研究，内容非常广泛，从计算生物学到新能源，从心理学到感知科学，无奇不有。显然，他们的研究还包括光学，其中一项最新专利就是用液晶来改变焦距。- M# O5 B0 a: X( t$ G1 r0 `

8 Y$ u6 C/ ?* h5 p7 z8 ?$ q5 f0 o9 S  w* z& ]
人眼也变焦，但不是通过镜片组的前后移动，而是通过镜片曲率改变，来移动焦点
# l, W( e" }  z8 I& Y0 C9 l( O1 w" \: o/ V+ `3 d9 W
人眼也变焦，所以我们可以从天际线一直看到鼻子底下。队列操的时候可以用“眼角余光”看到旁边的人的位置，但眯缝起眼睛、盯着远方看的时候，实际上视角很小。这就是变焦一样的道理。不过人眼变焦没有机械变焦这样的镜片组前后移动，而是通过眼肌改变角膜形状，移动聚焦点。桑迪亚的新专利也是一样，用电控液晶改变“镜片”形状，达到变焦的目的。具体来说，镜头前后依然采用传统光学镜片，但贴敷着两片直径0.75英寸（约20毫米）的液体聚合物镜片。液体聚合物镜片用特制薄膜密封，在超声波作用下，铅制螺丝前后移动，改变薄膜形状，控制液体聚合物镜片的弯度，达到变焦作用。桑迪亚已经用这个原理制成狙击步枪的变焦瞄准镜，变焦可在250毫秒内完成，精度达到100纳米。作为变焦瞄准镜来说，狙击手可以迅速从宽视场搜索状态转入窄视场精确瞄准，最关键的是整个过程不需要手离开扳机，不影响连续跟踪和瞄准。桑迪亚的设计还考虑了电池断电的情况，这是镜片不至于“垮下来”，而是固定在一个形状，相当于定焦瞄准镜。( P* p7 K. Q& b

  w) Y9 }! T0 I+ \  T5 Q! t; q/ h4 {% ~
采用液体聚合物变焦镜片的狙击步枪瞄准镜在测试中
3 g8 p/ M/ m; R5 i
" X7 G! O4 r6 x) }, b2 U# m对于相机镜头来说，液体聚合物变焦也具有重大意义，可以极大地减少镜片而实现相同的变焦效果。这不仅降低重量、体积，还大大降低了成本。对于DC甚至手机镜头来说，取消机械变焦的意义更大。手机镜头已经有一些具有变焦能力了，不清楚是否采用机械变焦，个人估计是数字变焦，也就是用截取较小的成像区域模拟拉长焦距的效果。对于手机照相来说，能看个大概就算达到目的了。但要是采用液体聚合物变焦，光学质量有望大大提高，而重量并不显著增加。对于DC，变焦也是一个老大难问题。变焦倍数可以做得很大，但一般都是用按钮或者拨杆电控变焦，动作不连贯，难以精细调节，而且反应很慢。同样，液体聚合物变焦可望大大改善变焦性能。" M7 L. t0 B% L% L3 S% j. {, y
2 a( P& b( I8 R+ O/ W7 G. V
光学是物理科学里最古老的分支之一，文艺复兴之前，阿拉伯人已经发现了针孔成像的原理，Zeiss Tessar镜头到现在依然是光学极致，但新材料和电控技术的结合可能是这古老的科学爆发出新的活力。如果光学质量足够高，卫星、航摄都可以使用。最重要的是，千百万拍照人有福了！
相机

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    & A1 {0 z( u0 b2 a1 a够狙击步枪瞄准用，想来还行。
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    wokao，这个太赞了吧！！现在这个原理还是太粗糙，机械性的改变柔性镜头的形状而已，如果是改变折射率呢？如果是可精确控制改变的非球面镜形状呢？
    ; ]1 o/ L/ [  L% y6 O# _3 P这条路走下去，那是要突破几何光学极限的呀！
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    前段时间看过介绍，但没有晨大讲得清楚。赞！
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    我用的canon 28-300L是推拉变焦的。楼主的canon 28-300L是定做的？  H+ S  r$ @7 E" S  D
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    晨枫

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     楼主| 发表于 2014-12-13 23:44:49 | 只看该作者
    贪玩的风筝 发表于 2014-12-13 01:429 ^+ z) n$ @! R2 h
    wokao，这个太赞了吧！！现在这个原理还是太粗糙，机械性的改变柔性镜头的形状而已，如果是改变折射率呢？ ...

    4 b. t' O1 A" ?$ @只要上网查一查，你说的这些都已经有了。有的还是实验室水平，有的已经产品化了，不普及而已。光学的未来还真是不可限量呢。
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    晨枫

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    11#
     楼主| 发表于 2014-12-13 23:46:43 | 只看该作者
    silentdarkness 发表于 2014-12-13 02:480 e- \* U) z5 I( {
    我用的canon 28-300L是推拉变焦的。楼主的canon 28-300L是定做的？
    " E( c2 s" l8 O$ r3 [2 G) s) J
    推拉的是第一代，旋转的是第二代？推拉的好像也没有IS？
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    贪玩的风筝

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    12#
    发表于 2014-12-15 12:47:10 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2014-12-13 23:44* f! S0 y& }& F$ F6 t5 T
    只要上网查一查，你说的这些都已经有了。有的还是实验室水平，有的已经产品化了，不普及而已。光学的未来 ...
    4 ~' q2 |% ]" G3 F
    这是我专业内的东西诶，果然离开太久就不知魏晋了……* i5 c' J3 C' [
    不过我猜，产品化的应该是改变折射率，利用压力或者电流等效应，这个相对简单点。
    $ q+ k0 I2 o; ?& |3 I精确控制球面镜形状这个感觉还应该是比较黑科技的吧？能在实验室已经是很牛逼了。; ?* }- f6 F- o- l9 p& L- v( M
    . ^& z" L4 |  y( f! h% n
    晨大给几个关键字，我去学习下！哈哈
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    晨枫

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     楼主| 发表于 2014-12-15 13:00:45 | 只看该作者
    贪玩的风筝 发表于 2014-12-14 22:47
    , J: w, h# _+ ~- T8 W" T, G这是我专业内的东西诶，果然离开太久就不知魏晋了……% l1 x9 Y: f2 V" B9 ~
    不过我猜，产品化的应该是改变折射率，利用压力或 ...
    1 w+ a9 f9 p7 r# @. J$ Z
    总算等来一个真懂行的。从这篇开始搜索吧：
      T4 m! i2 o; h' n- m9 [0 c3 K# fhttp://aviationweek.com/defense/ ... nnovative-zoom-lens( n1 E, ~/ j& c: a
    & `. H! p0 X, y1 a( J% C
    记得要回来分享哦！
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    燕庐敕
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    14#
    发表于 2014-12-15 15:25:26 | 只看该作者
    可别啊！* N* K, ~0 K& c  Z: e+ @: x
    , ?9 Y- k0 g6 [
    模糊的镜头拍出来的俺比清楚的要好很多～～～
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    贪玩的风筝

    该用户从未签到
    15#
    发表于 2014-12-16 12:10:42 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2014-12-15 13:00
    9 s3 T$ h# Q- d5 @4 I9 m总算等来一个真懂行的。从这篇开始搜索吧：
    * s9 S  c) C8 w2 f3 T' E, [http://aviationweek.com/defense/rifle-optic-has-innovativ ...

    : I9 H+ j' V2 o: U9 [" F4 H哈哈，谢谢！先去看看！
    * G* t8 t+ a8 _6 E1 J" U- @6 U! R十年前读书时候学这个的，现在都丢道不知道哪里去了……入错行呀，哈哈
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    东湖珞珈
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    16#
    发表于 2014-12-16 13:12:43 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2014-12-13 13:333 G' B( G$ [+ s, }& d
    够狙击步枪瞄准用，想来还行。

    ' I: L) {, |: z( a从眼睛看清楚，到满足现代的相机的变态的分辨率，中间还有相当的路要走
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    mrmnm

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    17#
    发表于 2015-3-14 03:42:58 | 只看该作者
    人眼變焦沒有改變成像大小，是定焦鏡。 定焦不能變焦，但也能对焦啊。$ p* L+ P( k; \7 F$ z2 C: n' c
    其實治療白內障的人工晶狀体問世已久，，像人体般用肌肉的力量挤圧變形也非難事， 沒有現成產品的確其怪4 b2 R: A) t2 U% K4 s5 M8 U
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