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[转载]一篇文章认识【尼康】:镜头技术全解析(纯干货)

F 卡口:传奇卡口,源远流长
先说一个很多人不知道的冷知识,尼康的镜头被称为 NIKKOR 尼克尔镜头,但尼克尔镜头的历史比尼康的历史还要久远不少。

把时间拨回 1917 年,那一年,东京计器制作所光学计器部门、岩城硝子制造所反射镜部门和藤井镜头制造所合并组建了一个综合的光学公司“日本光学株式会社”(“Nippon Kougaku KK”)。

在 1932 年,NIKKOR 开始作为商标出现,为 NIKKO 日本光学的缩写外加一个 R 后缀,而 1933 年,首枚 NIKKOR 镜头被打造出来,它是 Aero-NIKKOR,用于航空拍摄绘制地图,取航空的 Aero 和 NIKKOR 商标组成名称,这枚镜头的规格是 18cm f/4.5,或者用现在常用的写法,180mm f/4.5,是一枚典型的长焦镜头。

随后在 1937 年和 1939 年,Aero-NIKKOR 产品线继续扩张,推出了 75mm f/3.5 和 100mm f/5.6,尼克尔镜头系列初具雏形。

至于尼康(Nikon)这一名称的历史,则要等到 1946 年了,日本光学将其 135 片幅的相机命名为尼康相机,所以尼康其实比尼克尔要年轻得多。

而现在所有尼康单反上采用的 F 卡口,则要更年轻一些,尼康 F 卡口最早可以追溯到 1959 年发布的 Nikon F,采用 44mm 喉径和 46.5mm 的法兰距,理论上可以实现 f/0.94 的镜头。

以 1960 年代的眼光来看,F 卡口可以说是石破天惊,甚至有那么几分地外科技的味道,虽然我们现在经常说 F 卡口规格略逊于 EF 卡口,但要记住,EF 卡口是接近 30 年后的产物。

在 60 年代,F 卡口要对比的是 M42,佳能 FL 这类上古卡口。

简洁优雅、方便易用的插刀式(Bayonet mount)卡口设计秒杀一众还在使用螺口(Screw Thread Mount)固定的竞争对手,而三爪式的设计则一直沿用到现在的几乎所有主流卡口设计上。从某种意义上说,尼康 F 卡口启发了所有现代镜头卡口机械部分的设计范式。

在相机从手动对焦向自动对焦过渡的期间,发生了一些非常有趣的事情。

整个行业分裂成两大阵营,一个是为了保持兼容性,继续使用原有卡口,并在该基础上添加电子触点实现半电子化,而马达内置于机身内,用卡口上连接镜头和机身的螺杆来驱动镜头内部的镜组,也就是所谓的螺丝刀对焦,此外,光圈拨杆也需要通过复杂的机械联动实现。另一个,就是像佳能一样,直接把整个系统砍掉重练,从头打造一个完全为电子系统优化的卡口系统。

佳能是后者的代表,砍掉重练搞了 EOS EF 卡口,而尼康则选择在之前的基础上缝缝补补,给 F 卡口添加电子触点,光圈拨杆,螺丝刀对焦等一系列功能,以最小的转型阵痛度过了那段时期。在这个过渡期间,尼康 F 卡口是唯二选择修修补补的卡口,另一个是宾得 K 卡口。

凭借着对此前镜头的兼容性,F 卡口成为了世界上最大的可换镜摄影卡口系统——没有之一,拥有超过四百枚不同规格的 Nikkor 镜头,非常丰俭由人。

而且尼康几乎不存在 EF 和 EF-S 之间的打板问题,全画幅(FX)和 APS-C(DX)镜头可以随便插。当然单反时代一直找不到适合拍视频的机身那就是后话了……

唯一的一点例外就是 IX NIKKOR,连自家的数码 APS-C 机身都插不上去,不过这玩意儿也就 1996-2000 年在产,我相信大家碰不到也不会去碰,所以总的来说尼康 F 卡口的传承还是相当好的。

兼容性
短期内尼康 F 卡口的确可以沿用之前的镜头,提供一定的兼容性,但随着时代的发展,镜头需要与机身沟通的内容越来越多,不但有 EXIF 信息、还有对焦、光圈控制,甚至还有镜头防抖等等,这个时候使用螺丝刀对焦和光圈拨杆的方案在这里就逐渐显得力不从心了,最后还是要转向镜头内置马达和镜头内置电磁光圈的思路上来。

因为 F 卡口历史上积累的镜头和机身太多,所以不同机身和镜头之间的协议兼容性反而成为了问题,有着不同的支持程度,一般来说,新的机身的兼容性是最好的,旗舰机身也普遍能向后或者向前兼容,但是老一点的入门和中端机身,以及部分上古机身在选购镜头的时候就需要注意一下。

下面就让我来给大家详细讲一讲尼康镜头不同前缀的意思,以及搭配什么机身可以兼容。

F Type vs K Type
以 1974 年为分界线,尼克尔镜头可以分为古典和现代两大类。

其中,F Type,F 型尼克尔指的是 1959 年开始引入的第一代 F 卡口尼克尔镜头,这一代的非官方叫法又有 F Type,Pre-AI,Non-AI,NAI 等等。

外观上很好辨认,银色的金属对焦环,Nippon Kogaku Japan 的刻字老式的测光联动插脚(镜头上方突出的双三角形结构),长这样的就是 F 型镜头。

在 F 系列里又有一系列的后缀,比如 A/C/Y/Q/P/H/S/O/N/UD/QD/PD 等等,不过这些镜头市面上保有量已经很少了,只有少数对老镜头有情怀的玩家会去选购,我们留着以后细讲。

新的 K Type,K 型镜头命名来自日语的 Konnichi-teki,意为现代,1974 年后所有的尼克尔镜头都属于 K 系列镜头,其最大的特点是使用了在材质上使用了橡胶,而其中根据光圈和对焦的电子化程度又有不同的命名。

马达类型:AF/AF-N/AF-I/AF-S/AF-P
AF
意为 Autofocus,自动对焦,是尼康进入自动对焦时代后最早一批镜头的标签。它意味着镜头由相机内部的马达驱动,镜头内部有一个微处理器,但没有马达。

需要注意的是 AF-Nikkor 和 AF 是不同的,AF-Nikkor 镜头是为 F3AF 相机打造的自动对焦镜头,

无法在 D3x00,D5x00,FTZ 转接 Z 卡口无反(微单)Z 50/Z 5/Z 6/Z 7/Z 6ii/Z 7ii 时实现自动对焦。

AF-N
Autofocus-New,自动对焦镜头的新版本,90 年代引入的设计,光学设计与 AF 镜头基本一致,外观上最大的区别是把塑料对焦环换成了橡胶环(RIFR,Rubber Inset Focus Ring)。

无法在 D3x00,D5x00,FTZ 转接 Z 卡口无反(微单)Z 50/Z 5/Z 6/Z 7/Z 6ii/Z 7ii 时实现自动对焦。

AF-I
Autofocus-Internal,镜头内置马达设计,使用直流电机(DC Motor),这个标识只在超长焦镜头上短暂出现过,比如 AF-I 300mm f/2.8,AF-I 600mm f/4,1992 年引入。

注意不要与内对焦光学设计的 IF 标识混淆。

可以在所有支持自动对焦的机身上实现自动对焦。

AF-S
Autofocus-Silent,从定位上看,它是 AF-I 的后继型号。

AF-S 同样是镜头内置马达,使用更先进的宁静波动马达(Silent Wave Motor,SWM),其实就是超声波马达,推力更大,对焦更快更安静,1996 年引入。

至于为什么不叫超声波马达……还不是因为佳能把这个名字(Ultrasonic Motor,USM)给抢了。

AF-P
Autofocus-stePper。

AF-P 镜头同样是镜头内置马达,使用步进马达(Stepper Motor),然而 AF-S 已经被 SWM 占了,所以就取了 stepper 里面的 P……

AF-P 镜头在 2015 年引入 F 卡口,此前已在尼康 1 系列无反上试水(向天国的 1 系列和 CMOS 制造商 Aptina 致敬一秒)。

在外观上,AF-P 系列比较明显的特点是 AF-P 系列取消了 AF/MF 的切换按钮和 VR 技术(Vibration Reduction,VR 减震)的切换按钮

这个系列的兼容性比较复杂:

尼康 D6/D5/D850/D780/D500/D7500/D5300/D5500/D5600/D3400/D3500 完全兼容,部分机型需要更新固件,Z 50/Z 5/Z 6/Z 7/Z 6ii/Z 7ii 通过 FTZ 转接完全兼容,Nikon 1 系列使用 FT-1 转接完全兼容。

尼康 D4S/D4/D810(A)/D800(E)/D750/D610/D600/Df/D7200/D7100/D3300 兼容所有功能,但是菜单里缺少 VR 开关的选项,如果镜头上没有 VR 开关则 VR 功能保持全时开启。

尼康 D3X/D3S/D3/D700/D300/D300S/D7000/D2XS 只能使用全画幅(FX)AF-P 镜头,唤醒时对焦距离会重置到无穷远,D5200 也会有唤醒时对焦重置的问题,但它可以使用 AF-P 全画幅(FX)和 APS-C(DX)镜头。

更古老的机身就不支持 AF-P 系列了。

按对焦方式总结
尼康 F 卡口镜头中的 K type 镜头可以分为两大类,使用机身马达驱动对焦的和镜头内置马达的,其中前者有 AF 和 AF-N 两类,光学结构一致,对焦环材质不同。

后者则分为三类,AF-I,AF-S,AF-P,分别对应三种马达,直流马达,超声波马达和步进马达。

目前市面上最常见的是 AF-S 和 AF-P 镜头,较新的机身都能够兼容这两种镜头,但部分机身需要升级固件才能获得完整体验。

在尼克尔镜头的命名中,前缀代表马达类型,中间代表镜头规格,而后缀则详细展示了这枚镜头的光圈类型和所采用的技术。

下面就让我们来看看后缀。

光圈耦合类型:(无后缀)/D/G/E
无后缀
比较早期的型号,无法提供距离信息,带有光圈环。

D
Distance,意为距离,镜头可以提供镜头信息,用于 3D 矩阵测光、D-TLL 和 I-TLL 闪光灯自动曝光模式,使用机械耦合光圈拨杆驱动光圈结构,镜身上具有光圈环。

G
具有 D 型光圈的所有功能,可以提供距离信息,同样是机械耦合光圈拨杆驱动,但是镜身没有光圈环,只能通过相机来操控光圈。

这意味着早期的自动对焦机身只能使用快门优先模式,光圈全开,但现有的所有主流机身都不需要担心兼容性问题。

E
Electromagnetic Diaphragm,电磁光圈。

抛弃了机械耦合光圈拨杆结构,通过机身传递电信号给镜头,并由镜头内部的机构驱动光圈开合。

最早出现在 PC-E 前缀的移轴镜头上,PC 意为 Perspective Control,视角控制,即移轴镜头,由于移轴机构的限制无法放下拨杆而率先转用电磁光圈,随后的电磁光圈标注则改为后缀里的 E。

E 型镜头只能与除 D90 以外的,采用 CMOS 传感器的尼康相机搭配使用以实现完整功能,部分相机需要升级到最新固件以获得支持。

按光圈驱动方式总结
尼康目前广泛采用的光圈有机械耦合光圈和电磁光圈,其中电磁光圈是比较新的技术,主流的数码机身都可以兼容,无需担心。

光学技术
Aspherical 非球面镜片技术
非球面镜片与普通的球面镜片不同,其表面曲率是不断改变的,对于更容易受到球差影响的广角镜头来说,非球面技术的应用大幅提升了其画质,改善了球差、慧差、歪曲像差、场区的控制,也拓展了镜头产品线的规格。

非球面镜片(Aspherical)的表面曲率是变化的,因此对加工和品控都提出了非常高的要求,为了测算表面的弧度,需要引入计算机辅助设计,并使用激光干涉的方式测量表面精度。

非球面的制造方式有四种,其中研磨非球面加工精度是最高的一个,而为了普及非球面镜片还有成本较低的玻璃模铸(GMo)和树脂模铸(PMo)为代表的压铸非球面技术,需要利用到高精度的金属模具进行压铸,而最普及,成本最低的非球面技术则是树脂复合非球面,是将玻璃或树脂基材的球面镜片进行表面处理,使其表面固化一层紫外线硬化树脂材料来实现非球面化。

早在 1968 年尼康就设计了第一枚使用非球面的相机镜头。

尼康的非球面镜片不会作为镜头后缀名出现,此外部分使用复合非球面的镜片会被标注为 Hybrid 而非 Aspherical。

精确玻璃铸造 Precision Glass Molding
尼康显然是对自家的大尺寸铸造非球面技术非常自豪,专门介绍了这个叫 PGM,Precision Glass Molding 的技术,

这一技术通过精确的温度控制可以制造出大口径高品质的非球面镜片,配合高精度研磨非球面和积累深厚的光学设计经验,这也是尼康在一系列广角镜头上展示出极高统治力的底气。

PF 镜片,Phase Fresnel
相位菲涅尔镜片,PF 镜片,是一种利用菲涅尔透镜原理的光学元器件。

它可以很好地矫正色差,并使得超长焦镜头小型化,轻量化。

PF 镜片的色散特性与一般光学玻璃相反,波长越长折射率更大,因此使用 PF 镜片配合普通镜片就可以有效矫正像差,还能实现超长焦镜头的小型化,但是 PF 镜头存在一些问题,比如影响焦外,且因为抗眩光性能较差,限制了它在镜头里的应用。

尼康的 AF-S 300mm f/4E PF ED 和 AF-S 500mm f/5.6E PF ED 镜头都使用了这一元器件,广受好评。

氟镀膜,Fluorine Coating
这种镀膜是为了镜头耐用性和抗污性而开发的技术,它就是氟镀膜技术(Fluorite Coating)。施加了氟镀膜的镜片,就像不粘锅一样滑溜溜的,有水渍污渍也很好擦。

此外,尼康宣称自家的氟镀膜技术比起竞争对手类似的技术耐擦性更强,且其高抗反射特性也可以减少炫光。
纳米晶体膜,Nano Crystal Coat
超级集成镀膜,Super Integrated Coating
尼康集成镀膜,NIKON Integrated Coating

复杂的镜组设计会带来额外的、不必要的反射,从而造成炫光、鬼影等一系列问题,导致画面饱和度和反差下跌,损失细节。
使用特殊的低反射、纳米微粒在镜片表面施加特殊的镀膜,就可以降低这些问题的出现。
尼康的纳米晶镀膜(Nano Crystal Coat)在抗红光反射方面表现较此前的技术大幅提升,还能对抗斜射的光线,这个六角形里带个 N 的符号就是 Nano Crystal Coat 技术的标志。

纳米晶体膜是尼康最新的镀膜技术了,之前的技术是 SIC,Super Integrated Coating,再往前的是 NIC,Nikon Integrated Coating,这两个技术都是比较传统的多层蒸镀镀膜(Multilayer Coating)。

这两个技术都普遍应用在尼康镜头中,并且会根据具体的镜片去做配方和工艺的调整。

FL,ED,SuperED,HRI,SR
在此前佳能篇我们已经介绍过了几种用于控制色差的材料,萤石,UD 和超级 UD 镜片。
在尼康这边,UD 和超级 UD 级别的镜片被称为 ED 和超级 ED(SuperED),萤石镜片则被称为 FL。

尼康攻克超大尺寸萤石镜片生产是比较近的事情了,因此尼康在历史上都不怎么用萤石作为消色差材料,转而使用 ED 和 Super ED 玻璃。

ED 的意思是 Extra-low Dispersion,超低色散,而 Super ED嘛……超超低色散……

SuperED 的性能和萤石非常接近,但强度却要更高,并且应对大幅温度变化(Thermal Shock)的时候性能改变更少。

有说法是 NASA 在测试时候发现佳能的大尺寸萤石玻璃会在火箭发射时有一定概率碎裂,这种可靠性风险对于航天来说是完全不可接受的,因此选定尼康作为唯一静态指定器材,目前在国际空间站上的静态相机也几乎都是尼康相机。同时,因为 SuperED 更好的抗温变性能,尼康才能大胆地使用吸热更严重的黑色作为镜身材料,不然体育赛场边真的就要清一色白炮了。

嘛,说是这么说,但是 2013 年尼康在自家的旗舰黑炮 800mm f/5.6 上也用了萤石。

HRI 意为 High Refractive Index,高折射镜片。

SR 镜片是尼康镜片技术里比较新的一个,Short Wavelength Refractive,短波折射,根据描述来看是一个“短波长异常色散”的特种玻璃材料,在 120-300mm f/2.8 上有应用,用于矫正色散,但是技术细节非常少,据推测应该是磷基材的材料。

近摄优化 CRC,Close-Range Correction
内对焦/后对焦 IF/RF,Internal Focus,Rear Focus

在一些镜头中尼康使用了 CRC 设计,通过使用浮动(Floating)镜片或者镜组,分别移动不同的镜组来共同实现对焦,改善了近摄的性能。

在一些比较老的镜头上会专门强调镜头是内对焦/后对焦,标注为 Internal Focus IF 和 Rear Focus RF,不过新的镜头外对焦的都很少了,所以现在一般也就略去。

Z 卡口:全新篇章
NIKKOR Z 则是全新设计的卡口,55mm 直径,16mm 法兰距,可以实现更高规格的镜头设计。尼康也在访谈中坦诚,Z 卡口的设计就是为了冲击新的光学高度去的,因此便携性一类的指标则是次要的考虑对象。

新的旗舰系列不再有金圈设计,转用 NIKKOR S 的铭牌和一条非常低调的银色高光钻石切边(Silve Line,S-Line)来展示身份。

Z 卡口系列的镜头继承了 F 卡口上的光学、机械技术,但在电子技术上作了比较大的革新,最重要也是最明显的就是卡口的全面电子化,抛弃了光圈拨杆和机身内置马达的设计。

此外在研磨非球面上也有新的进步,新的研磨非球面精度更高,并且能研磨更加复杂的表面,甚至在更难加工的镜片材质上使用(HRI)。

另一个突破是新的镀膜技术 ARENO Coat,在应对垂直方向的入射光线时性能更好,配合纳米晶镀膜实现更好的抗眩光表现。

还有在光学设计上使用多组对焦组(Multi Focus),配合静音的 STM 马达来实现精确、快速的对焦,同时对呼吸效应控制也更好。

S-Line 镜头作为全新的标杆旗舰系列,已经逐步在取代尼康此前的金圈传奇,一个新的 Z 卡口时代,正在我们面前徐徐铺开。

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