北京巡天会 赵玉春大作：适合天体摄影的中长焦镜头的构造与像质

适合天体摄影的中长焦镜头的构造与像质



                                       北京巡天会 赵玉春


   笔者在2000年《天文普及年历》中曾介绍过适合天体摄影的普通镜头，因为考虑到造价的因素，文章中所介绍的镜头只是能使用的“底线”，其中大多数镜头（中长焦镜头）都存在质量上的局限性。选择更优质的镜头是提高天体摄影水平的关键因素之一，“工欲善其事，必先利其器”。笔者没有条件对每种优质镜头都作拍摄检验；但选择高档镜头还是有规律可寻的。下面笔者就一些与镜头质量相关的问题向同好作些简单的介绍。

   镜头的质量差异，除与质量标准及制造技术等相关外，还与其选用材料及构造相关。笔者经常使用中长焦镜头，在拍摄星体时，不断发现它们细微的差异，一开始曾确认是品牌上的差异，但有些现象是违背习惯认识的常理的，再仔细分析其细微的差异，发现与其构造特点是相吻合的，且与镜头的相关理论是一致的，这是对其质量判断的最合理的解释。为了说明这一问题，需要对摄影镜头的构造、选材甚至光波与光学系统的整合关系等。逐一进行解析。

   光是一种电磁波，在电磁波谱中，能被人眼所感受的波长范围为：0.4－O.76nm（1nm=0.001mm）。无色光学玻璃的透光波段为：0.35－2.5nm。一般把波长为0.5893 nm的D谱线的折射率Nd取为基本折射率，F谱线（蓝）与C谱线（红）波长分别为0.4861nm、0.6563nm，它们接近人眼光谱敏感界限的两端，而D谱线接近其中间、接近人眼最敏感的波长。德国和前苏联等国家取波长为0.5461nm的e谱线的折射率Ne为基本折射率，因为该谱线更接近人眼最敏感的波长。

   一定波长的折射率差称为平均色散，Nf-Nc是光学玻璃的主要性能参数，此外还有平均色散系数即阿贝常数Vd＝（Nd-1）／（Nf－Nc），部分色散系数等被作为光学玻璃的一般参数。依据Nd和Vd值的大小，光学玻璃可分为冕牌玻璃和火石玻璃（含有大量氧化铅）两大类，冕牌玻璃属于低折射率、低色散玻璃，火石玻璃属于高折射率、高色散玻璃。冕牌玻璃折射率低，对消除色差有利，但其低折射率往往又需增大镜片的曲率，对消除单色色差（如球差）不利，且增加了加工难度; 火石玻璃折射率高，可以相对地减小镜片的曲率，但其高色散性对于消除色差不利。一般需两种光学玻璃配合使用。以便消除各种像差。高折射率、低色散玻璃是较理想的光学玻璃。目前这种玻璃已被用于摄影镜头的制造中（当前世界上光学仪器生产大国能生产三百多种光学玻璃）。传统的用于校正色差的镜片的光学玻璃多采用萤石玻璃（主要成分是CaF2），严格地说它属于光学晶体，常作正透镜。与其性质相近的异常色散玻璃有ED、UD、SD玻璃等，常作正透镜。另一种异常色散玻璃在高频区域具有较低的折射率变化，常作负透镜，亦可减少二级光谱色差。

   摄影镜头的成像质量与其构造有着最直接的关系，镜头构造特点（光学玻璃折射率、色散性质、镜片曲率与镜片组合方式等）除决定视场与焦距外，主要考虑的是校正各种像差。校正像差的基本原则为：在有效成像波段内对“接收器”最敏感的波长的色光校正单色像差，对有效波段的两边缘色光校正复色像差。可见对像差的校正也取决于“接收器”的性质。相对于摄影镜头，“接收器”是感光胶片。摄影镜头属于大孔径、大视场光学系统，必须校正各种像差。有些像差与孔径和视场都有关；有些像差仅与孔径或视场有关; 个别像差与孔径和视场均无关，仅与光学系统构造有关。

   球差是一种单色像差，它使轴上同心光束通过光学系统后不交于一点，使像的边缘模糊，一般与孔径有关。通常光学系统是对边缘光线校正球差，可采用配曲法减少单个透镜球差，由于正透镜产生负球差、负透镜产生正球差，简单的校正球差的方法是采用正负透镜双胶合或双分离方式的组合（普通的折射式天文望远镜的物镜便是采用这种构造），另外采用高折射率玻璃，减小透镜表面曲率，也可减小单个透镜球差。

   彗差属单色像差，它使轴外宽光束通过光学系统后在像面上不再形成同心光束，而是形成圆心在一直线上的按直径大小依次排列的圆形光束的重叠，形成状如彗星（圆头尖尾）的像，尖端离主光轴近的称正彗差，尖端离主光轴远的称负彗差。它与孔镜及视场都有关系。与消除球差一样，采用配曲法可部分地消除单个透镜彗差，也可利用组合透镜或胶合透镜消除彗差。消彗差与消球差的条件不一致，不易同时消除。

   像散属于单色像差，光学系统的透镜表面在不同方向上有不同的连续曲率，其子午截面与弧矢截面上的曲率相差最大，因此子午光束和弧矢光束能各自汇聚于主光线上一点，并不重合。它会使放射形同心圆的物体图案在于午像面和弧矢像面上得到不同的影像，像散只与人射光束的倾斜度有关。

   场曲属于单色像差，它是球面光学系统所固有的像差，使得平面物体反射的光通过光学系统后像面变成一弯曲的面；这样照相时平面物中心与边缘的像不能同时聚焦。

   畸变亦属于单色像差，其产生的原因在于主光线的球差随视场角的变化而改变，因而在一对共轭物象平面上，放大率随视场而变化，从而使物体像的形状变形（不影响像的清晰度）。消除畸变的方法是采用相对于孔径光阑的完全对称结构。

   位置（轴向）色差和倍率（横向）色差属于复色像差：

   位置色差，轴上一点发出的复色光（白光）通过光学系统后，由于光学系统对不同波长的光有不同的折射率，各色光不交于光轴的同一点上。1、2、3分别为蓝光（F）、绿光（D）、红光（C）的像点。在1和2的位置物体（如恒星）的点像均有红边，在3的位置则有蓝边。由于单个正透镜产生负色差、负透镜产生正色差，所以只有当正负透镜以适当的曲率组合起来才能校正色差，这一点类似于对球差的校正。如果某光学系统使轴上复色光线1与3的像位在光轴上某一点重合，该系统便是消色差系统。但相重合的位置并不一定能与2的像位重合，这种现象称为该系统还存在着H级光谱色差，只有当1、2、3像位重合于光轴上的某一点的情况下，即对三种色光消色差的系统称为复消色差系统（APO）。目前国外大多数中长焦镜头都采用了这一系统。

   倍率色差，校正了位置色差的光学系统。轴外点发出的复色光通过光学系统后只能使其像点的像面重合在一起，单色光的焦距并不相同，放大率不相同，因而各具有不同的像高，这种放大率的差异称为培率色差。倍率色差值受光阑位置影响，对于放大率=-1的对称式光学系统，光阑前后分别产生数值相等，符号相反的倍率色差，系统的倍率色差自动消除。

   由于相对于摄影镜头，接收器是感光胶片，一般对D光和g光校正色差，对F光校正单色像差；对于天文摄影与航空摄影系统，考虑大气的性质，通常对F光和h光校正色差，对g光校正单色像差，可以看出这种校正的选择，考虑到了大气中漫散射蓝紫光偏多的特点。以上所述只是说明了在设计镜头时所要考虑的一些最基本的问题，焦距、相对孔径、角视场是摄影镜头的基本性能参数，分辨率、调制传递函数（MTF）、像场照度分布、光谱透光特性、积分透光系数和光散射等是摄影镜头的质量标准，而镜头构造形式的演变与发展正是不断地力求消除或减少各种像差及增大相对孔径，从而提高摄影镜头的质量指标。

   摄影镜头的分类有多种方法，其中有一种是按照镜片的组合形式分类；了解这一分类方法正是了解镜头性能的基础。

   最简单的镜头是3片型的柯克镜头，这种镜头由“正、负、正”三个单透镜以分离形式组成，其中凹透镜由高色散的火石玻璃制成，凸透镜由低色散的冕牌玻璃制成。柯克型镜头利用三个单透镜的焦距，三个单透镜的表面形状、两个空气间隔及光学玻璃的色散性等为调整变数，用来校正各种像差。这种镜头是最简单的消像散镜头，其主要缺点是高级像散、轴外高级球差和彗差较大，分辨率不太高。

   4片型的天塞镜头是柯克镜头的改进型，于1902年由德国人发明。天塞镜头可认为是将柯克镜头的后组镜片改为胶合透镜 ，其胶合面可以校正轴外彗差，且胶合透镜中负透镜的折射率低于正透镜的折射率，可对轴外宽光束中的上光线起收敛作用。独联体产茵度斯塔尔 61／L微距镜头（ 50mm、1：2.8）便是采用了超重冕牌润玻璃的天塞镜头，这款镜头较高的成像质量得到了普遍的公认（尼康手动55mm、1：2.8s微距镜头5组6片，自动60mm、1：2.8D微距镜头7组8片，独联体产沃尔纳一9微距镜头4组6片，均不是这种构造）。

   5片型的海利亚镜头亦可认为是柯克镜头的改进型，它的前后镜片组均为胶合透镜，利用胶合面可分别控制轴外宽光束的上、下光线的发散度，以控制轴外负球差和光束汇聚的对称性，使轴外点像质量有所改进。

   松纳镜头基本也是5片型，也有第2组镜片采用3片透镜胶合的新松纳型，松纳镜头也可认为是由柯克镜头发展而成。这种结构对称性较差，轴外彗差和色差较为严重，这种镜头曾被作为经典的中长焦镜头且一直沿用至今，许多德国镜头，前苏联镜头都采用了这一构造。笔者曾用两只原东德潘太康120相视的配套镜头（用在尼康机身上）拍摄星体，两只镜头皆为多层镀膜的松纳镜头；一只为180mm、1：2.8，另一只为300mm、1：4。在调焦不实的情况下，从照片中能非常明显地看出星体呈“梨”状（一头大一头小），说明彗差严重，另外色差也较严重；在焦点调实的情况下，多差不再明显。但观察明亮星体，在向心（画面中心）的方向上皆有多半圈的蓝边。需要说明的是，在日常拍摄时（使用120正片），其分辨率与锐度均感觉很高，色彩还原性能明显优于独联体镜头。这说明某些镜头存在的像差并不影响一般内容的拍摄（只有拍摄星体时，对镜头的要求极为苛刻），德国松纳镜头不愧为一款经典的中长焦镜头。

   6片4组的对称结构是高斯镜头的基本结构，常用来制作标准镜头。由于其对称结构，垂轴像差可以自行校正（如，无畸变），其缺陷是轴外高级负球差和高级正像散较为严重，在收缩光圈情况下可减弱球差。大孔径高斯镜头（光圈在l．4以上）缺陷尤其明显，尽管镜头的镜片数有所增加，所以标准镜头并不一定是像质最好的镜头。笔者曾用名牌标准镜头在全开光圈的情况下拍摄星体，发现画面中部星体锐度非常小，象个小棉花团，而边缘部位星体已严重变形，这说明球差和像散非常严重。

   望远型镜头是根据望远镜的成像原理发展而成的，由正负两种透镜组组成，望远镜头其光学系统从第一折射表面到后焦面的距离L小于物镜焦距f，L／f称为望远比。望远镜头的非对称结构和追求小的望远比，会使像差校正较为困难，尤其是色差和畸变较大，但由于其单个透镜的曲率都不大，球差与像散等不太严重。如果采用特殊方法复消色差，像质可大为改观，分辨率和锐度等甚至可以高于高斯型镜头（但畸变仍不易消除）。独联体镜头中有一种枪式组合相机的镜头：300mm、1：4.5，4片3组结构，属于结构简单的望远镜头，其长度达255mm，望远比较大。从三只这种镜头拍摄的星体照片来看，画面中间部位星体色差非常轻微，几乎观察不到，边缘部位亮星有向心（画面中心）的半圈蓝色色差，但比前述松纳镜头色差要小得多且看不出彗差，只是星点还不够锐，说明存在球差或杂散光较多，色彩还原亦不够饱和。从性价比来看，这款镜头已相当不错了。

   望远型镜头要想大幅度消除色差，必须使用萤石玻璃或具有相近曲线趋向的超低色散玻璃。用低色散冕牌玻璃作正透镜和高色散火石玻璃作负透镜消色差时，F线（蓝）和C（红）轴向色差为零，但因为正、负透镜的在不同光线频段消色差曲线变化不相同步，使得原F线和C线焦点中间和两端波长上残留有二级光谱色差。萤石玻璃虽属低色散玻璃，但具有高色散趋向，作为正透镜可使二级光谱色差大为减少。

   由于望远镜头由正、负透镜组组成，可以利用移动负透镜组中部分镜片进行调焦，在调焦过程中镜筒长度不发生变化，镜筒密封性比较好。现在大部分名牌中长焦镜头都采用了这种内调焦结构。

   近年市场上有一款适马手动APO望远镜头，400mm、1：5.6这款镜头望远比小且采用了内调焦结构；非常小巧（带三脚架固定螺孔入包装内无说明书。市场售价仅三千余元。笔者使用这只镜头拍摄星体，效果非常好，星体成像非常锐利，只在画面边缘部位亮星的向心边缘上存在几乎不易观察到的极其微弱的蓝色色差。看来复消色差技术是非常可信的，其实物实拍效果与理论是非常一致的。

   有一点需要说明，日本名牌相同焦距、相同光圈的自动与手动中长焦镜头（同一厂家生产的）镜片组数往往不一样，自动镜头的镜片数相对多一些（如，AF尼康ED180mm、1：2.8D镜头6组8片，MF尼康ED180mm、1：2.8S镜头5组5片），这是由于自动镜头调焦时行程需要相对短一些，因而镜片组构造需要复杂些。

   折反射镜头是另一类型的望远镜头，现市场上有多种独联体产的折反射镜头。这类镜头即便与萤石镜片加异常色散镜片的折射镜头相比，在低色差方面也有绝对的优势；但从拍摄星体的效果来看，综合优势并不如折射镜头，其边缘像质较差。因球面反射镜存在光行差，加改正镜后也不能完全消除，且与收缩到相同光圈的折射镜头相比其弥散圆（是个环形）直径也较大。

   日本的《月刊天文》上有许多天体摄影专用望远镜的广告，其实拍星体照片非常优秀，证明望远镜头的构造设计，特别是复消色差构造设计是非常成功的。该杂志上也有许多最新的相机与镜头的广告，包括近几年新流行的可交换镜头的旁轴取景相机与数码相机。对镜头的实拍效果的直观说明亦是附上一张天体摄影照片。

   美国AStro－Physics公司生产的AP130望远镜（口径130mm、1：6）采用三片油浸物镜，其前后两片采用火石玻璃。中间一片采用超级ED玻璃，三个镜片之间充油膜。这款望远镜的分辨率已超过分辨率的理论极限。笔者见过一位香港朋友用这种望远镜加附加的像场改正镜，使用Pentax67相机拍摄的星体照片，照片上任何一位置处的星像点都极其锐利，看不出任何像差的迹象（如果有畸变在星体照片上是看不出来的），这可以说是笔者所见过的像质最好的星体照片。这种望远镜的结构最早是由德国人发明的。Astro－Physics公司目前还生产口径155mm和105mm两种望远镜。但无论购买哪一款望远镜均需排队登记定货，三年左右时间内能拿到成品便是非常幸运了。

   综上所述，笔者以为选择天体摄影用中长焦镜头，应首选采用了复消色差结构的望远型镜头或望远镜。当然，对于一只镜头质量的判定最终还要通过实拍来检验，因为各种像差对镜头像质的影响是综合作用的结果。

   需要特别说明的是上述举例的各种镜头都非国产。国产镜头笔者从未使用过，周围的朋友也很少使用过。笔者建议尽量不用国产小型天文望远镜作镜头使用，曾见过用国产某型折射式望远镜拍摄的星体照片，其色差极大，亮星蓝边的直径几乎有亮星直径的3倍之大。这样的天体照片已失去了基本的美感。


   本文所作实拍检验历时数年；所用部分镜头由李立军先生提供，部分资料由北京巡天会查东炎先生和姜晓军先生提供，在此表示特别感谢