当我在教摄影艺术理论的时候，听说现在的很多大学摄影艺术专业的课程中不再强调《照相机》这门课程的时候；当我在给孩子们指导创客课程的时候，听说STEAM变成了STEM，ART没有了；这些时候都会觉得非常心痛！摄影这玩意自打发明以来就离不开技术的支持；而技术如果没有了艺术的思想指导，设计出来的产品最终也会缺乏美感。总之，艺术和技术的本质是永远无法被完全切分开来的。
上几期的文章《这个比拼太极端，难怪比试到一半就有人来喊冤！终极画幅镜头的非对称PK之二！》和《极端画幅镜头的非对称PK，OLYMPUS EM5 对阵 LEICA S》我都强调了小像场的镜头天生具有高分辨率，设计的时候肯定比较好伺候。但是还是有很多爱好者觉得我说的是无稽之谈。其实要回答这个问题很简单，我们只要设计过一支小像场的镜头就不会再来问我同样的问题。镜头的设计在很多摄影爱好者看起来是一件非常神秘的事情。
今天我就要通过设计一支供奥林巴斯/松下使用的MICRO FOUR-THIRD规格的标准镜头来回答这些问题。
首先让我们来理顺一下设计的起始思路。我们需要设计一支和普通的全幅传感器相机一样的标准镜头。大家都知道，全幅传感器的相机就是我们传统的135相机，它的标准镜头一般是50mm，有时可以是短一些的40mm，也可以是长一些的60mm。 而这种规格的镜头一般的最大有效孔径是F1.4-F2.8之间。
这个是一般人的思路，但是在设计师看起来，最重要的是指标是这支镜头的半视场角。在设计中，称为semi-FOV （FIELD OF VIEW）。
这张图在我写的教程中出现过多次，我们通过查询可以得知标准镜头的对角线全视场角是46度。semi-FOV大约是23度。
我查询了镜头设计的过期专利库，通过一系列刷选，选中了这支镜头。我将它在电脑中打开，并且仔细审核它的性能。它的semi-FOV(在这个软件里显示FOV）是21度，最大孔径是F2.0。应该说它的原始结构基本符合要求。从结构图上可以看到它是一支很典型的6片玻璃组成的对称型双高斯结构。
唯一不符合要求的是它的焦距。现在它的有效焦距（Effective focal length）是100mm。长了一些。再看看它的像场圈，近轴像高居然可以达到38.38mm。近轴像高就是成像圈的半径，也可以理解为对应传感器对角线尺寸的50%。如果传感器尺寸为60mmx45mm（实际目前中片幅相机传感器的尺寸只有48x32.9mm，应付这样的传感器绰绰有余），那么对应的像高必须达到37.5mm以上。对应数据来看，这个镜头的成像圈完全可以覆盖整个传感器。所以现在这个原型镜头是一支为中片幅相机（我们俗称120相机）准备的标准镜头（略微偏长焦一些）。
上图：目前全世界最小的120数码相机的尺寸，装载了一个80mmF2.8镜头，大家感受一下它的80mm标准镜头需要多大；如果将上面这个100mm f2.0方案转换为真实的镜头，它的物理尺寸需要有多大？
尽管如此，我认为它基本性能符合我原定的设计要求，就用它来进行改进设计，将一只给120相机用的大型标准镜头，改变为一个小得多的MICRO FOUR-THIRD相机用的小型化的标准镜头。
大家可能还注意到一个问题，就是这支原型镜头的MTF非常不理想，而且看起来很凌乱。因为，我在原先的SETTING中将空间频率设定为10线对/mm、 20线对/mm、30线对/mm、40线对/mm、50线对/mm、60线对/mm。将空间频率提升的这么高主要是为了后面设计派用处，看一个120规格的镜头不需要这么高的数据。我将它的设置简化为10线对/mm、 20线对/mm、30线对/mm（这样和市场上的镜头采用相同的分析标准）。
我通过空间频率设置对话框，重新定义一下我想要的空间频率。DONE！
去掉3组空间频率以后，MTF输出图像显得简化很多。但是，镜头实际性能并没有提升。应该说这支镜头对于高频率细节的描写是很差的。我补充一下，尽管我认为很差劲，但是这是一支完全可以实用化的镜头方案，如果真的制造出来，装到哈苏相机上用，它拍出的照片一样是比较清晰的。你对照一下下图卡尔蔡司发布的哈苏镜头官方数据。不过如此。所以我的理论是正确的。大片幅相机的清晰度主要来自于比较大的焦距（像对应的物比较少）。
我特地翻出沉睡多年的资料。如果您看得懂MTF图，其实卡尔.蔡司、哈苏已经在几十年就告诉您，他们的这个80mm F2.8号称全世界最优秀的经典镜头，其实在F2.8的时候，在近中心光轴到对角线极限位置的50%距离（精确点可以认为是25%的距离，即距离光轴半径15mm的地方开始，就已经无法分辨40线对/mm的目标了。 即使在光轴上，还原能力也只有区区45%，也就是模模糊糊看得清楚。F8.0以后才有所改善。这可是精心优化以后的结果啊！而上面的模型，没有优化过的，是F2.0状态的。
接着我第一步先将这个原版模型变化为一只符合索尼ALPHA-7相机（配备36mmx 24mm传感器）的镜头，大家参考起来方便一些。
我们先看看索尼36mm X 24mm传感器和奥林巴斯/松下所采用MICRO FOUR-THIRD规格传感器巨大的尺寸差异。灰色是全幅传感器，粉红色是MICRO FOUR-THIRD规格传感器。
其实将100mm的镜头变化成50mm的镜头很容易，选中所有数据以后，按照比例缩小就OK。第一次我选择比例为0.5。就是缩小成一个50mm的标准镜头。
完成以后，我分别在三个对话框中点击“UPDATE”，结果镜头的结构图是完全不变化的，但是参数和MTF变化了。镜头有效焦距EFL变化为50mm，近轴像高变化为19.19mm。
但是大家会发现MTF有了明显的提升，尤其是红色的那根代表30线对/mm（较高频率）的曲线有明显的上升。
接着我恢复了原先6组空间频率设定。重新恢复为为10线对/mm、 20线对/mm、30线对/mm、40线对/mm、50线对/mm、60线对/mm。大家可以明显看到，除了30线对/mm以外，高空间频率的部分，40线对/mm、50线对/mm、甚至60线对/mm都有明显的提升。最重要的是MTF的曲线比较平缓、均衡，这个对今后的设计拓展是很有利的。说明这个原始型号选择得不错。于是一不做，二不休，直接设计MICRO FOUR-THIRD规格的镜头。
大家都知道，松下、奥林巴斯的MICRO FOUR-THIRD规格的镜头等效索尼ALPHA-7的标准镜头焦距是25mm，也就是100mm的四分之一。照葫芦画瓢！
按照上面的步骤，将缩放系数设置为0.25。这支25mm F2.0的标准镜头就初步定稿了。MTF进一步飞速提升（尤其是近轴的部分，上升飞快）。但是在欣喜之余，不要忘记检查一下数据。这支镜头符合基本预期，但是有一个数据是不对的，那就是近轴像高。
它的像高只有9.5mm。这就意味着成像圈的直径不能覆盖MICRO FOUR-THIRD的传感器。
我提醒大家回想一下初步的方案。它的原型是一只100mm的镜头，而120相机的标准镜头只有75-80mm的焦距。如果对应成MICRO FOUR-THIRD传感器的镜头，100mm应该被折算为30mm左右，也就是说这支原始结构是一只比普通规格略长的标准镜头。那么它不应该被设计成25mm，而是30mm。
于是我返回原点，重新设置，计算。DONE！
这次真的成了！一支给MICRO FOUR-THIRD相机用的30mm F2.0标准镜头就初步定稿了。至少它可以作为一个原始方案继续发展下去。
唯一的不足是60线对/mm的MTF径向曲线在接近近轴视场70%的地方，下降了。但是它的切向MTF还是很好的。尤其是近轴部分的光学表现极为出色。不但曲线平坦光滑，径向与切向表现极其接近，而且还原能力都在50%以上。
让我们等待工程师来进一步的优化它吧！
在上面的步骤中，我没有使用任何优化工具，没有对镜头结构进行任何修正。大家可以看到，我无论如何点击镜头结构图中UPDATE按钮，镜头的结构在焦距缩放的过程中是不会有任何改变的。也就是说一只给120相机用的100mm镜头和一只给MICRO FOUR-THIRD相机用的30mm镜头，没有结构上的任何区别。
但是他们对应的MTF表现和像差是截然不同的。小像场的镜头要好伺候得多！天生的！
我再深入让大家看看衍射极限的问题。有些朋友觉得大像场的镜头有很好的衍射极限特性，因此分辨率可以达到很高；小像场镜头受衍射极限的限制，因此分辨率做不高。
上面的例子已经很好的回答了分辨率的问题，40线对/mm的空间频率（就是分辨率）都做不好的120镜头，你还指望它的更高的分辨率能高到哪里去？
让我继续用软件来显示这个原始结构100mm镜头的衍射极限。首先是调用衍射极限显示。
看到这个对话框中有一个SHOW DIFFRACTION LIMIT的选项吗？打勾！DONE!
出现了黑色曲线，这根很平直的黑色曲线就是目前这个镜头的衍射极限。在这里我更换了一种MTF读取方式，将横坐标改为空间频率，最高为60线对/mm。实际的MTF曲线离开理想的衍射极限相差甚远。根本达不到的！
我接着将镜头缩短为30mm。您看！衍射极限曲线，没有任何变化。而MTF曲线确实有很大提升，尽管如此，离开衍射极限曲线还是相差甚远。
所以，一个镜头的基本结构才是决定衍射极限的最根本因素。衍射极限与焦距无关！在实际设计中，根本达不到衍射极限！在实际使用中，对于照相机镜头来说，可以完全忽略什么“衍射极限”这种伪概念！
面对一大堆枯燥的参数，您如果能够坚持看到这里，说明您还真实我的忠实粉丝！先喝口咖啡放松一下。肯定，这篇文章不是给初学者看的。
有人会问我，您为什么对这些技术参数如此痴迷？而不是好好研究如何拍照？我的回答是：我在理工科和摄影艺术方面的精力差不多各花了50%。摄影从它诞生之日起就是一门基于技术的艺术！这个也决定了它与绘画的重大区别。以前，甚至还有一大堆感光化学需要学习。应该说是数码技术的普及大幅度降低了学习摄影的难度。否则您可能连黑白胶片也冲不出来。
在感谢数码科技之余，我想说的是：在摄影这个艺术领域，本身就有很多训练是需要依靠技术方式解决的，比如“透视”。 比如我以后教透视的时候会动用可以移轴的技术相机。
在相机方面，了解得越深入一些，越容易让您决定在什么场合使用什么相机组合？使用什么镜头组合？当硬件不能完全解决问题的时候，才能知道如何用“软”的办法来解决。
比如，经常有人问我。为什么不可以把全幅28mm广角镜头直接转到MICRO FOUR-THIRD规格的奥林巴斯相机上做标准镜头？我的回答是：可以的，但是不是最佳方案。在设计镜头的时候，原始的结构决定了镜头的特性。全幅28mm广角镜头是反射远结构的，是大FOV的广角镜头，高空间频率的再现并非它的强项。如果能您看了我上面的设计步骤，就不会再问我同样的问题了。同时，您也避免了因为使用不恰当的镜头转接方式，从而而得到一张分辨率不高的照片。这就是摄影者、文科爱好者了解理工科知识带来的好处。
如果您是一位理工爱好者，您或许会问我：设计一个镜头岂不是很容易？不是的！光从几百个原始数据中确定一个比较好的型号就很花时间，还需要进行一定的改进设计才能知道可不可以进一步发展。有时候往往做到几步以后就废了。接下来还需要进行约束和优化，公差分析，镀膜分析，等等，等等。总之是一件非常烦人的工作。其实这篇文章我很早就想写，可惜要找这么一个原始模型就花了很长时间。在光学部分完成以后，还有机械设计的一大段路要走。
我录制了一段设计步骤的视频，大家可以去网站上看看MTF曲线是如何跳起舞来的。
(微信版有点噪声，请关闭音量；电脑版是无声的）
我还要再补充一下，最近富士也紧跟着哈苏推出了中片幅的数码微单，5000万像素级别的。他们宣布旗下的配套镜头也对应5000万像素的要求。5000像素的是个什么概念呢？
传感器尺寸是：43.8 × 32.9mm；像素分布是：8272 × 6200 pixels。我初步推算一下分辨率的技术要求是：达到与传感器产生衍射干扰状态是94线对/mm，那么实际要求降低50%（防止出现衍射），也就是47线对/mm，通俗点说:镜头是按照45线对/mm的标准来评估的。届时看看具体公布的参数究竟如何？如果是这个参数，对应5000万像素的传感器是绰绰有余（不过考虑到像素数量的飞速发展，好像还是有些不足）。以现在的技术，将120镜头的标准制定的这么高，还是有一些难度的。
我知道要在微信上看清楚我啰嗦的大段文字着实吃力，我还是建议大家到www.91paizhao.com上面，用电脑大屏慢慢看。
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