為自己造一個500mm超望遠鏡頭

為自己造一個500mm超望遠鏡頭

冼鏡光
June 15, 2014上線
May 26, 2025搬家到此

長鏡頭是怎麼造出來的? 為什麼那麼貴? 貴,當然是因為大光圈和用了特殊玻璃、也因為是銷售量低, 一些便宜的400mm和500mm長焦距鏡頭的價格可能只有同焦距的大光圈好鏡頭的幾分之一或幾十分之一。 回顧攝影的發展歷史,我們會發現結構復雜的長焦距鏡頭要到二次大戰後的1960年代才出現, 1970年代則有使用特殊玻璃的長焦距鏡頭,在那段時間前後很多長焦距鏡頭使用反射式, 譬如東德Zeiss的500mm f4和1000mm f5.6以及西德Zeiss的500mm f4.5和1000mm f5.6。 其它長焦距鏡頭很多都是用兩片一群的望遠鏡結構,以下是幾個這一類長焦距鏡頭:

Carl Zeiss Jena Fernobjektiv 500mm f/8

Asahi/Pentax Takumar 500mm f/5

Novoflex Novlexar 400 f5.6

這類兩片一群望遠鏡設計的鏡頭在二次大戰前就已經出現,上面的Carl Zeiss Jena Fernobjektiv 500mm f8就是一例, 這原本是Zeiss為連動測距型的Contax在1930年代生產的,不過得配上一個反光鏡盒把Contax變成一台SLR使用。 事實上,1839年第一台相機上的鏡頭就是一個兩片一群的結構(請參考用DSLR模擬Daguerre相機這篇文章的說明)。 所以,不論從望遠鏡結構的觀點或從相機鏡頭的觀點來看,兩片一群的長焦距鏡頭並不奇怪。

如何取得一個兩片一群的透鏡?很多人可能馬上想到理化器材或光學器材行。 沒錯,的確有可能找得到,但有光學鏡頭品質的可能就不多。 然而最好的、有光學鏡頭品質的兩群一片透鏡可能就在手邊,這就是高品質、裝在鏡頭前方的近拍鏡, 每一相機廠商都有這類產品,而且二手貨更是價格合宜。

為什麼用兩片一群的透鏡?只用一片玻璃的透視不但會有嚴重的球面像差使畫面朦朧、 玻璃折射造成的色散現象也會使畫面顏色混濁並且產生紫邊。 兩片一群的透鏡通常用一凸一凹的型式,利用第二片透鏡校正第一片透鏡的像差(請參看拙著《數位相機:觀念、技巧與原理》單元M的第M.6章到第M.9章的詳細說明),自然效果就比較好。 另外,也有廠商生產三片一群的近拍鏡(譬如Leica)。

既然兩群一片的好近拍鏡不少,本文的目的就是如何把一個好的近拍鏡當成長焦距鏡頭使用、以及安裝的方式, 希望您也可以組出一支便宜的長鏡頭玩玩。

器材

要造出一個能用的鏡頭有幾個要件:光學透鏡、對焦機制(得能夠對焦到無限遠)、和裝透鏡的接環。 下面分成三個小節說明。

光學透鏡

在光學透鏡方面,我們可以用一個近拍鏡。 不必驚訝這個說法,因為近拍鏡本身就是個凸透鏡,當然可以聚焦、在厎片或感光晶片上成像。 近拍鏡的能力以屈光度(diopter)表示。如果一個近拍鏡的屈光度和焦距分別是d和f,它們的關係是d = 1000/f。 所以,一個屈光度為2(d = +2)的近拍鏡的焦距是f = 1000/d = 1000/2 = 500mm; 反之,一個焦距是300mm(f = 300)的近拍鏡的屈光度是d = 1000/f = 1000/300 = 3.3。 如果您對這些知識有興趣,請看拙著《DSLR:觀念、技巧與原理》單元N更仔細的說明。

屈光度是多少的近拍鏡比較合適? 一般而言,屈光度在+2和+4(焦距在250mm和500mm)之間的比較好用。 屈光度太高(相當於焦距太短)不太好安裝,而且比250mm(屈光度+2)短的焦距玩起來沒多大意義; 屈光度太低(相當於焦距太長)則會使整個系統的長度太長、長到很難組成可以容易使用的設備。

基於上述原因,比地使用Canon 500D口徑為77mm的近拍鏡。 Canon 500D的屈光度是+2、焦距是500mm,可以組出一支超望遠鏡頭。 為什麼是77mm?理由很簡單,因為手上只有這個版本,但是為了避免邊緣失光太嚴重甚至出現暗角,口徑最好在52mm以上。 另外,也不必排斥它廠產品,只要注意到屈光度範圍(請看說明書)和口徑就行了。

對焦機制

對焦時鏡頭得前後移動,所以要有一個蛇腹。 什麼牌的蛇腹都可以用,但要注意到兩點: 第一,手上相機能否裝得上去,如果不可以,能否找到接環。 第二,能否找得到從該蛇腹鏡頭座到螺紋的轉接環。 此地是用Nikon的PB-6蛇腹,一來是Nikon生產過最完整的近拍和微距配件, 二來是手上就有Nikon的蛇腹而且也用得習慣順手。 用任何與Nikon相容的蛇腹都可以用,網路上有不少這一類便宜而且重量比較輕的産品, 反正只是用來提供把鏡頭前後移動的機制,只要能夠有20公分左右的延伸程度就可以使用, 但要注意到蛇腹有否漏光的問題。 下面是Nikon PB-6。

此外還需要若干組延伸筒(extension tube,也叫做近攝環或接寫環),那些極為便宜的產品就行,因為不需要自動光圈的機制。 焦距為f的鏡頭對焦到無限遠時,從鏡頭到底片或感光晶片的距離是f,對焦到近距離時這段長度會更長, 對焦到1:1拍攝時變成焦距的兩倍、也就是2f。 我選用Sony NEX5拍攝,原因是它的峰值對焦和放大功能十分好用,因此得加上一個Nikon至NEX的轉接環。 蛇腹的伸長能力決定這個組合的最短對焦距離。下面是本文用到的三組延伸筒、右下角是Nikon到NEX轉接環:

因為所有延伸筒、蛇腹、轉接環的總長最好比焦距短一些(譬如短4到5公分), 這段長度就靠機身的卡口距(flange)和稍許延伸蛇腹的長度補足。 如果整組設備加上機身的卡口距比焦距還長,就會無法對焦到無限遠。

裝透鏡的接環

近拍鏡用螺紋裝上相機鏡頭,但蛇腹和延伸筒上的鏡頭座卻不一定用螺紋,所以得要有一個從鏡頭座的接口到螺紋的轉換環。 不但如此,這個轉換環的口徑也可能和近拍鏡的螺紋口徑不同,因此也得準備一些上昇或下降接環。

Nikon曾經生産過一個K2接環,它的一面是可以裝濾鏡的52mm陰螺紋(下左照片),另一面是裝上鏡頭座的F相容接環(下右照片), 於是透過K2接環就把蛇腹或延伸筒上的Nikon鏡頭座改成52mm陰螺紋。 如果您的蛇腹或延伸筒不是Nikon或Nikon相容産品,不妨考慮一個從Nikon到您器材的轉接環、再把K2裝在這個轉接環上。 當然,如果使用的蛇腹或延伸筒有相容的轉換成陰螺紋的轉換環,那就簡單了。

因為Nikon K2接環的陰螺紋口徑是52mm而且Canon 500D的陽螺紋口徑是77mm,所以得用若干上昇接環把52mm轉換成77mm。 此地用了52-58、58-62、62-72以及72-77四個上昇接環,您當然可以不必用那麼多個接環(譬如只用一個52-77上昇接環), 但是這和光圈的位置和最大光圈有關,我們稍後再談。 下左照片是這四個上昇接環和Canon 500D、下右照片則是把Canon 500D裝在接環上的樣子:

下面第一張照片是把所有配件裝在一起的結果,第二張照片則是加上Sony NEX5的樣子,這就是本文提到的500mm超望遠鏡頭:

幾個簡單測試

本節拍攝幾個此地常用的場景做簡單的測試, 各位不妨拿此地的結果和其它老鏡叢談系列和老鏡叢談-反射鏡頭系列講過的400mm和500mm鏡頭做個比較。

無限遠

下面是幾乎對焦到無限遠的景,對焦部位是中央的白色標示。

下面第一張照片是對焦部位的100%裁切(下同此),由此看來這個組合的表現十分好、不輸一些比較昂貴的反射鏡頭, 這是個很意外的發現。 第二張是下方靠近邊緣的裁切,表現依然出色,標示上的字清楚結實、鋼樑上的卯釘也能分辨而沒有散開。 第三和第四張照片是右上角和右邊緣的裁切,很明顯地就比中央部位差了些,特別是右上角部位就有點鬆散而不那麼結實了。

遠距離(50公尺)

下面是距離50多公尺處的報箱和郵箱,對焦位置是黃色報箱上的字。 因為距離夠遠,景深大致上可以涵蓋郵箱上的白字和吊郵箱的鐵鍊。

http://www.cs.mtu.edu/~shene/FORUM/Taiwan-Forum/Random-Talk/005-DIY-500mm-Lens/MAILBOX-50mm-CUP-600.jpg 下面第一張照片是對焦部位的裁切,報箱上每一個字都結結實實,後方的白字也一樣,所以這個Canon 500D在中央部位的表現可圈可點。下面第二張照片是上緣鐵鍊的裁切,稍許軟了些,但仍然不輸一些比較貴的反射鏡頭、也比一些400mm的中低價位鏡頭強很多。

中距離(40公尺)

下一個景是40多公尺外的車庫燈,對焦部位是燈泡下方的小字、以能看到最清楚為原則,順便也看看把燈固定在牆上的兩顆小螺絲。

下面是燈的裁切,我們看到燈泡的字依稀可見,這是很不容易的,而且整盞燈和固定用的螺絲都相當結實。

近距離(20公尺)

下面是距離約20公尺的樹根,對焦部位是沒有樹皮所在,因為該處細節特別多而且也可以瞭解Canon 500D處理暗部細節的表現。

下面是對焦部位的裁切,細節相當清晰,而且暗部也不致於全黑而糊成一片。

從這幾個常用來測試的景看來,拿Canon 500D當一個兩片一群的500mm超望遠鏡頭使用,還真的是出乎意料地好。

其它拍攝實例

除了這些"標準"景之外,本節再提供若干拍攝實例供您參考,我們仍然採用由遠而近的方式、方便瞭解這個組合的特性。

首先,有個500mm的長鏡頭免不了要試試拍月亮,遺憾的是總有一層很薄的雲蓋在月亮上,使對比降低而且產生一圈很淡的月暈, 拍攝位置左邊又有樹枝等雜物。 所以,月亮只好放在畫面右側(下面第一張照片),並且提高快門速度降低月暈的影響,這樣就造成畫面曝光不足而得用後製補救。 下面第二張照片是從原照片先裁出月亮的部位1200x1200,縮成600x600之後再稍許提高亮度和對比,並且稍做銳化抵消薄雲造成的朦朧。

下面是鐵橋頂端的燈(第一張照片),第二張是燈部位的裁切,第三張是鐵橋靠近影像底部的裁切。 從裁切部位可以看到800m處的小物件(燈、陰影)等細節都呈現得相當結實、相當理想。

下一個景是橋右側的一間辦公室(第一張照片),對焦部位是公司名稱(第二張照片),第三張則是屋脊部位的裁切。 對焦部位因為對比不高使對焦相當困難,不過拍到的結果卻相當好,屋脊部位各個物件的細節也表現得不俗。

下面的俱樂部房子(第一張照片)到相機的距離比橋到相機的距離至少短一百到兩百公尺,對焦部位是畫面中央的標示, 這是第二張照片最左邊的裁切,有點曝光過度但看起來相當好。 原照片中最左邊兩台車子的車牌裁切是第二張照片的中央和右邊部分,字太小看不清楚,但輪廓依稀可見, 提高對比後就可以清楚到某個程度。

下面這一景是背光拍攝。隨手拍時發現海岸防衛隊(Coast Gaurd)的船停在遠處,距離不很容易判斷, 不過看起來要比相機到橋的距離近一些。 鏡頭轉過去一看,原來是兩艘船停在一起,不知道發生了什麼事。 下面第一張就是這個景。第二張照片是船身的裁切,後方的引掣似乎是本田(Honda)的產品; 整個畫面有點泛白,應該是泛光造成的結果。 第三張照片是私人船隻的駕駛艙部位,在燈下方的藍紫色好像是紫邊,這是用這一組器材拍攝眾多照片中很少見到的紫邊現象。

下面是湖邊碼頭一景(第一張照片),距離大約是50公尺上下; 第二張是船名部位的裁切,可以清清楚楚地看到船尾各個配件,當然船名Bavaria也相當清晰。

下面第一張照片的車子距相機約30多公尺,對焦部位是車牌,第二張照片是車牌左方的品牌部位的裁切,效果很好。

以下這幾組照片都在幾公尺到二十公尺範圍之內。 下面這一對鷗距相機十多公尺,因為羽毛的對比很低很難用來對焦,所以試著用左邊一隻的嘴部對焦,但是卻動個不停, 因而這張照片很難說對焦準確、但也不十分離譜。 第二張照片左邊是頭部、右邊是脖子下方翼部的裁切;裁切中翼部有一些細節但有點含混,頭部太細微的細節就看不到了。

下面這隻鷗就近了不少,大約是十公尺多一些,對焦部位是腳,因為這是很少移動的部位。 照片有些曝光過度,但第二張裁切中的細節都在,而且相當完整。

下面是陰影中的野花,為了保持原本的色階而沒有增加曝光使顏色亮麗,對焦部位是左邊花的前緣,於是後緣有點模糊。 第二張是對焦部位的裁切,細節呈現良好。

接下來是距相機十公尺不到的家用電表,第二張照片是對焦部位的裁切。 電表的透明蓋子有點泛光降低了對比,但電表上的字仍然清晰結實。

下面是草叢中的一片枯葉,距離約略是十公尺上下,第二張是對焦區域的裁切,枯葉上的微小細節並沒有糊成一片。

接下來是公園中的告示,距離大概是八到十公尺左右。 第二張是對焦部位的裁切,呈現得很好,但字的邊緣有點軟。

這一張石頭邊的花叢到相機的距離最多六到七公尺,但是對焦卻有相當難度,因為花的對比不很高而且細節也不多。 第二張是對焦部位的裁切,大致上準焦,但準到什麼程度我卻沒把握確定,縱使如此,結果也是不俗。

綜觀前面所有的測試照片,相信您會發現把Canon 500D近拍鏡拿來當兩片一群的望遠鏡頭用表現實在很好, 而且紫邊出現的頻率也相當低,這是個人在裝這個組合時沒有預期到的效果。 所以,想玩一玩的朋友不妨一試。

一些技術資訊:對焦距離

在對焦到無限遠時,透鏡到感光晶片的距離等於焦距,以Canon 500D而言這段距離就是500mm。 這個組合從Canon 500D近拍鏡到Nikon-NEX接環底部的(最短)長度大約是390mm, 因為Sony NEX的卡口距(flange)是18mm, 所以從透鏡到感光晶片的總距離是408mm、不足500mm,這表示短缺的92mm = 500 - 408得要靠延伸蛇腹的長度補足。

把Nikon PB-6充分延伸後的(最大)長度大約是525mm,加上Sony NEX的卡口距18mm的總長是543mm。 所以,當蛇腹延伸到最長時,像距(從透鏡到感光晶片的距離)v = 543,而且焦距是f = 500, 代入透鏡公式1/u + 1/v = 1/f求物距u得到u = 6313.95mm,大約是6.3公尺。 這表示這個組合能夠對焦的物體至少得離鏡頭6.3公尺。

一些技術資訊:最大光圈

接下來我們算一算這個組合的最大光圈。 光圈f值的定義是焦距被入瞳孔直徑除的商(見什麼是光圈f值這篇文章的仔細說明), 而入瞳孔是光圈開孔被在它前方各透鏡放大後的像(也就是從鏡頭前方看到的光圈開孔)。 下面照片是這個組合前方看到的內容,那個最窄的孔就是入瞳孔,它是Nikon K2轉接環的內徑(見本文開頭K2接環的照片), 實際測量的結果是大約41.4mm。 所以,我們得做的是求出這個孔在它的位置被Canon 500D放大後的直徑,這需要一些簡單的計算。

下面是計算的示意圖,圖中L是焦距為f的凸透鏡,離開透鏡d處是個半徑為s的圓形開孔、它的圓心在Y; 這個開孔就是光圈孔,而且d < f。這個開孔的像是圓心在X半徑為E的圓,這是光圈開孔經透鏡L放大後的像,也就是入瞳孔, 它的直徑是2E。 圖中的虛線表示成像的方式:經過物體頂點B和鏡頭中心O的光線不會被折射; 經過物體頂點B和軸線平行的光線經過折射後會通過另一側的焦點F,這兩道光線的交點A就是頂點B的像。

從相似三角形OBY和OAX得到s/E = OB/OA,從相似三角形ABC和AOF得到d/F = BA/OA,所以我們有

由此式求E的結果是

改用直徑變成

因此光圈f值為:

從這道式可以看出,光圈開孔到透鏡的距離d愈短,光圈f值就愈大, 當開孔就在透鏡的位置時(d = 0),光圈f值是焦距被光圈開孔除的商。 因此使用一個52-77的上昇接環就不如使用四個上昇接環,因為它把K2接環的位置拉到Canon 500D近拍鏡的後方。

前面提過K2接環的內孔直徑是41.4mm(2s = 41.4), 這個組合中從Canon 500D中央到K2接環開孔的距離大約是d = 30mm, 代入上式得到光圈f值為(500 - 30)/41.4 = f11.35。 如果只用一個52-77上昇接環,長度大約是d = 8.5mm,於是光圈f值變成(500 - 8.5)/41.4 = f11.87,相差有限。

下一個問題是:用這樣的組合方式能夠做到最大的光圈為何?因為入瞳孔是從鏡頭前方看到的光圈開孔, 如果只剛好看到K2接環內圈,我們就有最大的入瞳孔。這是下面的示意圖。

圖中光圈開孔半徑s正好在平行入射光經折射後的邊緣,R則是透鏡的半徑,從相似三角形得到

因此

把s代到入瞳孔的式子中得到E = R,也就是入瞳孔大小就是透鏡大小。 Canon 500D 77mm的內徑約75mm,所以在這個情況下的光圈f值是500/75 = f6.67。

那麼d的值為何?也就是K2接環該離開透鏡多遠才能有f6.67的光圈f值?回到s/R = (f - d)/f這道式子, 因為f = 500、s = 41.4以及R = 75,由此解d而得到

也就是K2得距近拍鏡22.4公分。 這是很不容易做到的,因為Canon 500D的口徑是77mm,我們得在22.4公分之內把77mm降低到52mm, 這在用接環的前提下相當困難,除非自己動手用材料造出一個一邊有77mm陰螺紋、另一邊有52mm陽螺紋的22.4公分長的錐形圓筒。

總結

這篇文章介紹了把一個近拍鏡當成長焦距鏡頭使用的安裝方式,而且也附了不少從遠到近的拍攝實例。 這個Canon 500D近拍鏡在當成望遠鏡頭使用時效果相當好,相信使用他廠類似的兩片一群近拍鏡時的效果應該類似。 讓我在此地再強調一次,最好使用兩片一群結構的近拍鏡才會有好效果,那些便宜的單片玻璃近拍鏡的成像品質是不行的。 下面第一張照片是用本文的器材拍攝,效果相當好,第二張照片是用一個便宜的單片玻璃+2近拍鏡拍攝,效果就差十分遠了。

這個組合有什麼缺點呢? 首先,它很重。 重是在Nikon PB-6蛇腹,如果換用市面上一些便宜的蛇腹和延伸筒,這個組合還可以手持拍攝。 不過這就引出第二點了,它很難對焦。 在操作時一隻手操控相機,另一隻手得轉蛇腹上的旋鈕對焦,於是就沒有手可以托鏡頭而且用腳架。 個人試過換用輕型組合,左手可以轉旋鈕對焦同時托住蛇腹上的腳架座,不過這很累人而支撐不久,當蛇腹延伸比較長時就無能為力。 第三,相機最好用有峰值對焦和放大功能的無反光鏡機種,使用DSLR的失敗率很高而且準焦率很低,原因就是這個組合的光圈太小, 中低階的DSLR機型幾乎無法合焦。 最後,這個組合沒有光圈機制、永遠只有一個光圈。 好在是,K2接環內筒直徑較小,因而擋住不少邊緣光,這相當於收小了光圈,也許這就是效果不錯的原因吧!

總之,市場上不少便宜的蛇腹和延伸筒(本組合中用到兩組超級便宜、每組不足6美元的延伸筒), 如果您手上有一個不錯的近拍鏡,何妨在假日試一試這個超望遠鐘頭的DIY計劃。

最後,預祝您成功。

這篇文章曾經被對岸若干網友或媒體剖竊,改動稍許就變成自己的作品發表。我曾經發函警告過一些抄襲的作者, 有些就刪了文、但另一些卻不聞不問,聯絡網站的管理員也沒有回應。 其實,對岸抄襲我的作品已經有超過20年的歷史,連整本書被掃描成PDF放在網上都發生過, 那些攝影、相機、鏡頭、光學等的文章被剖竊更是所在多有、不勝枚舉。下面是對岸剖竊本文的兩個例子:

更新紀錄

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