齿轮箱变焦镜头，一种被遗忘的设计

Post in 周日 13 八月 2017 |Tags Camera Lens Photo

本文翻译自 Tom Leonard 的博客文章。英文原版也同时转载于DPreview。

感谢本文英文版原作者 Tom Leonard 授权本人翻译转载其博客文章，他是一位工程师，也是一名业余摄影家，器材爱好者。

本文原文发表于 2017 年 8 月 13 日。

A FORGOTTEN SOLUTION

这几年来，我收集了一枚非常罕见的镜头。当初买来主要是因为觉得这枚镜头有收藏价值，然后一直放到最近，我都没有怎么把玩过这枚镜头。这枚镜头就是生产于 1975年的美能达（Minolta） MC Rokkor-X 40-80mm f/2.8 手动对焦镜头。当初这枚镜头刚刚问世的时候，市面上的变焦镜头在画质上根本没有一枚能与之相提并论，所以实际上这枚镜头一直都是独孤求败的状态，直到近年来，这种情况才有所改变。这很大程度上是由于这枚镜头所采用的非常独特的齿轮箱设计（Gearbox design），这种设计的初衷是为了克服变焦镜头要面对的一些技术问题，这些技术问题目前也依然还困扰着现代的变焦镜头。

时光回溯到 1959 年，这一年诞生了第一枚商用的 35mm 静态相机（still camera）变焦镜头，是由 Voigtlander 发布的 Bessamatic-mount Zoomar 36-82mm f/2.8 镜头。这枚镜头的机械设计估计大家都不会觉得陌生，对焦和变焦都是通过调整镜筒上的转动环来实现的。这种简单的螺旋设计（helicoid design）目前也是我们变焦镜头最常见的制造方法，用于变焦和对焦。当你转动变焦/对焦环的时候，光学组件就通过螺纹内筒前后移动。这种设计会导致安装在螺旋内筒中的光学组件有固定的运动比。这样会带来一个问题，就是在不同的焦距上，每个焦距都需要对透镜/透镜组进行一些不同的调整，以便矫正像差，而螺旋内筒的固定运动比就不能满足这个需求。当然，螺旋内筒的设计相对来说比较简单，易于加工制造，可以根据镜片的物理设计来确定形状。如果一个镜头的设计初衷就是尽最大可能少做各种妥协，那么看上去就可能会和现在商店里面销售的镜头大不一样了。厂商们都是为了简单方便，依然都普遍采用螺旋内容的设计，而不愿意去探索尝试使用光学的方案解决机械缺陷。所以多年以来，镜头的设计者都已经习惯了妥协，他们在计算机的帮助下，在固定运动比的螺旋设计的限制之下，再去提升改进变焦镜头的光学设计。现代的变焦镜头依然不如定焦镜头，只不过由于非球面透镜以及各种花样翻新的涂层的帮助，让之间的差距缩小了一些。

在 20 世纪 70 年代初，美能达的工程师则跳出了思维定式，创造出了一个能够精准改变镜组位置的变焦镜头的设计。他们设计的调整机构需要放到一个齿轮箱内，这样就能使得变焦镜头的变焦非常精确。这种设计不再有螺旋设计的局限性，每一组镜组都是彼此独立运动。整个镜头有 12 个镜组，各自独立地线性运动，通过齿轮来控制。通过固定比例运动的链条，在整个对焦变焦行程中，所有镜组都可以精准调整到最佳位置，以最佳的方式矫正整个焦距范围内的相差。他们创造的最关键部分就是如何让一个变焦镜头能够在变焦和对焦行程中像定焦镜头那样有准确的镜组位置，简单理解的理论就是这样。这个解决方案导致了相当怪异突出的外观，但这一设计也称得上是独特的。这样一来这枚镜头内镜组的位置就肯定不会有任何误差了。

这枚镜头只有 560 g 重，应该说并不太笨重。事实上，这枚镜头即便内部全都是金属结构，也只有尼康当前的 24-70mm f/2.8 VR 变焦镜头的一半重量。

对焦动作通过调整大拨轮实现，而变焦则通过移动杠杆臂来控制。这两种操作都非常简单又顺畅，只需相当短的移动距离。通过景深标尺，可以使用对焦拨轮进行非常精确地对焦到各个距离。

该镜头的口径为 55mm。从前镜组往里看，能看到固定在镜身左侧的齿轮箱的轮廓。

我还没说的是，这个镜头还有微距模式！镜头上有一个金属杆，将其拔齿轮箱，然后逆时针旋转之后再推进去，就把内部的镜组朝前移动了，这就增长了传感器/胶片平面距离齿轮部件的距离（其实也就是增长了成像距离，跟安装额外的微距环道理类似）。这就降低了最近成像距离（Minimum Focal Distance），在 40mm 端，从原本的 1.01m 拉近到了 0.37m。

下图中，这个金属杆所处的是正常拍摄模式的位置：

下图中，金属杆就调整到微距模式的位置了。当推入金属杆的时候，对焦长度杠杆就随着内部镜组向前移动了。这个设计很酷炫哈！

接下来咱们用这枚镜头来拍一些东西，来看看这些工程师的神器设计的效果吧。

我的妹妹告诉我，在我住的地方不远，有这样沿着一条双向公路的一排旧仓。昨天我过去看了一下。再回来的路上拍了下面的这张照片。使用的是这枚镜头的 40mm 端，光圈使用了最大的 f/2.8。这是我当时拍的第一张照片，当时挺匆忙的，因为想要抓拍到那种独特的光线。草坪上的并不是晕影。那就是头顶的一篇很厚的黑云在上面投射出来的影像，造就了这个很奇特的场景光线。我拍下这个场景之后，太阳很快就又重新出现了。

然后同样在这次的图中，遇到了下图中的老式雪佛兰警车。拍摄焦距为 80mm，光圈为 f/8。

让我很感兴趣的是在拍摄车身明亮的镀铬部分时候，镜头的色差控制如何。此前我用过的 1980 年代以前生产的老镜头，在拍摄这种场景的时候就没有不产生紫边的。感谢美能达工程师，因为这枚镜头真的一点紫边也没有。4200 万像素的 RAW 文件放大到 400 % 都不会有任何的紫边和色散。拍摄焦距为 80mm，光圈为 f/4。

我家前院的一种名为 Jelly Palm 的树长满了果子。下面这张照片使用了微距模式。拍摄焦距为 40mm，光圈为 f/2.8。

餐桌上面的一碗香蕉。拍摄焦距大约是 50mm，光圈为 f/5.6。

院子里面的玉兰树（Magnolia tree）发出了新芽。下图使用微距模式，拍摄焦距为 40mm，光圈为 f/2.8。在阴影和背光中，颜色和对比度都很好，而且焦外的背景也很平缓光滑，不干扰主体。

我的二女儿，很好心停下来让我来拍最后这张。拍摄焦距为 80mm，光圈为 f/2.8。

实拍下来，我只能说，这个镜头太棒了。这个奇怪的齿轮箱驱动的设计，带来的结果就是一枚非常出色的中焦变焦镜头。当我最开始使用这枚镜头拍摄的时候，确实也觉得使用杠杆和齿轮来调整的操作方式有点不习惯，不过过了一阵之后就逐渐喜欢上了这种操作；这样操作起来很有乐趣。拿着这枚镜头不像传统那些镜头那样，把手握在镜筒上。我试试用左手手掌支撑齿轮箱位置，然后使用大拇指来调节变焦杠杆，使用食指来转动对焦拨轮。对焦的行程恰到好处，你不用担心手指需要挪动到不自然的位置，也不用做出来回重复的动作。

对于那些想要拥有一枚有历史意义的镜头，或者想要改编拍摄思路的人，我强烈推荐这枚镜头。与我最爱的变焦镜头，无与伦比的美能达 MD 35-70mm f/3.5 相比，我觉得这两者能打平手。无论在体积、重量，还是焦段，这两者都很接近。实际上，美能达 35-70mm f/3.5 这枚镜头正式衍生自美能达 40-80mm f/2.8 （所以，我正好用衍生出来的新镜头去拍摄了老镜头的照片）。美能达估计也觉得这样不同寻常的设计以及复杂的加工，都会使得这枚齿轮箱镜头成本高昂，所以他们进行了妥协。这样的齿轮箱镜头只生产了两代。我的这枚是第一带的 “MC” 版本。在 1977 年美能达生产了同系列的另外一个 “MD” 版本，然后就取消了。目前在网上都能买得到这两个版本的镜头，不过我必须说明，这个镜头的价格特别高，只适合那些专注的收藏家了。一枚品相好，功能正常的这样的镜头，目前的价格大概是 600-1000 美元。某些同型号镜头的齿轮箱可能不能用了，要找一家店去拆开修理，可是超级难的一件事。这种情况的功能故障的镜头，估计也会卖到 200-300 美元。