探索未知世界，内窥式广角微距摄影镜头解析

光学设计可以说是“条条大路通罗马”，近似的规格可以有很多种不同的设计方式，微距镜头就是其中最有意思的主题之一。从光学来看，放大倍率m=像距v/物距u，套入高斯成像公式1/f=1/v+1/u可以延展得到m=f/(u-f)=(v-f)/f，进一步求到u=(1+1/m)f，v=(1+m)f，不难看出当放大倍率提升时，v变大而u变小，这也就意味着对于一般镜头来说，微距设计往往意味着镜头与被摄物间距很短，也同时意味着机身和拍摄者更加靠近被摄物，这对于容易受惊扰的被摄物，或空间受限的拍摄环境来说是个很具体的问题。

那么怎么解决这个问题？相信大家都看过《动物世界》，里面有不少的镜头都会探入到地底动物巢穴进行拍摄，而它使用的就是内窥镜系统，如果有去医院做过胃镜肠镜的朋友对这个应该也不陌生。但应用到民用摄影领域，老蛙FF 24mm F14 2X Macro Probe的似乎是第一家，它的外形就是一个比较典型的硬性管道镜设计，在工业检测领域相当常见。

金属镜身质感很不错，还附带了一个专用的手提箱方便携带，想得还是挺周到。那么，好学的你可能会问：为何它的镜身可以做这么长（408mm）但放大倍率只有2倍，此时物距u仅仅只有1.5倍焦距，也就是36mm啊？首先大家要了解，物距的定义是前主点与前焦点的距离，24mm F14最短工作距离只有20mm，所以它此时的前主点在靠近前端16mm处，而此时的像距（后主点与后焦点也就是传感器的距离）为48mm，也就是前后主点之间足足间隔了408-16-48=344mm，它的整个镜头构成可以通过结构图来分析：

视场角超过80度的管道镜设计以物镜+对称型中继转场镜+放大目镜为主，显然老蛙24mm F14也遵循了这个设计理念。先看物镜，如果要做细和做高亮度，就需要有尽量少的镜片，老蛙的这个设计比较合理，在全画幅像场做到了光圈F14，而且用ED去校正高折射玻璃面型过强带来的球差相对增大等问题（但场曲还是会增大），同时实现了前端的小型化。

中继镜的作用就是延长系统长度（也就是增加前后主点的间距），有对称型和非对称型两种设计，宽松地来看老蛙24mm F14使用的是单棱镜+对称型设计，对称型的特点在于前后半部系统互成镜像，在对称折射面上，倍率像差分布系数大小相等符号相反，轴向像差分布系数大小相同符号相同，因此对称型系统是倍率像差相抵，轴向像差翻倍，这也是为什么多组对称型中继系统需要再接上非对称型中继系统来校正轴向以及其它像差的原因。而老蛙24mm F14只使用了一组，所以只需要通过最后的放大目镜结构来校正即可，后者包含了一个双胶合组，2片高折射负镜胶合了一片低折射低色散ED。对焦为单镜片向物方移动，且可以从2倍放大对焦到无限远处，也就是说可以用来日常拍摄，但颜色有些黄染：

因为光程长、镜片多、玻璃-空气接触面多、沿轴厚度大，短波长端的透过率大幅降低，所以如果用作日常拍摄会发现比较明显的偏暖甚至偏红，而且像差校正明显不是针对这个对焦位置，放大观看时锐度比较差，因此它虽然能对焦到无限远，但应用方式也应该与微距前景进行结合。

老蛙24mm F14以硬性管道镜的设计来做摄影镜头确实是相当疯狂，也就顺带获取了这类设计的先天优势：做高放大倍率的情况下只需要将细长的镜头靠近被摄物就OK，机位和拍摄者可以在半米左右开外，并且可以探入到空间受限的区域，配合拍摄创意可以实现一些非常独特的视角。

当然它的局限性也非常明显：因为专业，所以应用面单一，且对环境照度要求非常高，毕竟它的光圈仅为F14，但要注意，镜头光圈的标定基于无限远处对焦时，有效光圈会随着物面位置，也就是对焦点距离而变小。这一点从光学计算上不难证明，在空气中，轴上像点的照度E可用以下公式计算：

式中K为系统总透过率，L为发光强度、D为入瞳径、f为焦距、β出瞳为出瞳孔横向放大倍率，β为系统横向放大倍率，U为物方孔径角。不难看出，D/f（相对孔径，它的倒数也就是光圈F值）或物方孔径角越大，轴上像点照度越大，这符合大家的直观认识。

一颗固定相对孔径的镜头对焦到无限远处时，系统横向放大倍率为0，此时有最大照度，而当物面处于有限距离时，系统横向放大倍率恒小于0而出瞳孔放大倍率恒大于0，轴上像点照度会随系统横向放大倍率的增加而减弱，也即有效光圈变小。

当然，最后一个式子更容易理解，放大倍率越大1/β^2就越小，E值也越小。这时候需要更慢的快门/更大的F值/更高的ISO来补偿。所以老蛙24mm F14在2倍放大拍摄时不仅要很强的照明系统，条件允许的情况下也建议使用全画幅机身+脚架+滑轨+机械臂等辅助拍摄（特别是视频），手持的话配合有机身防抖的无反效果会更好，事实上老蛙24mm F14这种超小光圈镜头本身也更适合能够亮度增益的电子取景，光学取景器亮度相当暗（毕竟只能反射部分入射光线），在单反使用需要实时取景才能方便拍摄。

硬性管道镜的一大特点就是可探入性，这意味着常规照明措施无法施展拳脚，所以跟工业和医疗类同门器械一样，老蛙24mm F14前端附带了需要使用移动电源至多5V/2.1A Micro USB供电的LED灯组，但没有像工业产品那样内置LED导光管和电源手柄，只能自己想办法固定移动电源，稍微麻烦一点。

在局限环境下前置LED的实用性很高，不过实事求是的说，LED的性能比较一般，首先是它的色温不高约4000K，与日光存在一定的偏差，白天带环境的微距主题不太方便统一调色，而且没有内置亮度调节功能（第三方可以买到），全功率输出进行2倍放大拍摄比较容易过曝。并且这个LED灯阵的忠实显色指数比较低，这意味着受它照明的物体与其原色会存在色差，对于摄影来说这会是一个比较明显的问题。当然，它始终是这类产品的“第一人”甚至可能是“唯一”，但在独特之余，还是希望能做好细节。

还需要注意的是，如果前组上有灰尘，在环境光较暗的情况下开启LED会将其照明，形成比较明显的杂光光斑，所以使用前一定要先擦干净。

这里可以简单说说关于镜头内或镜头前阻挡物对成像的影响，这些阻挡物是否能形成实像，也就是能不能拍出这个东西取决于它所处的位置是否在物方焦点前，如果是，那么可以拍出实像，能够看到这个阻挡物，比如老蛙24mm F14镜组前的灰（形成前景虚化光斑）。如果不是，它就只能形成虚像，对成像只会影响亮度，但也随光圈、遮挡物大小、具体位置影响，可以做一个简单的实验，我在50mm F1.2的尾部镜片贴上贴纸遮挡后进行拍摄，这已经远远在物方焦点之后：

接下来进行拍摄：

上图为F1.2时，下图为相同曝光但光圈设定为F4时：

可以看到，大光圈时因为光线高度充裕，完全看不出有被遮挡的痕迹，事实上此时的像面照度是受到影响了的，快门速度相对无阻挡时有变慢。而随着光圈缩小，周围光线无法完全覆盖被遮挡区域，成像受贴纸影响而出现了一定程度的阴影（注意这并不是它的像），但仔细看依然能够分辨阴影内的细节，只是亮度由边缘向中心线性降低。而阻挡物越靠近传感器，挡光幅度就越大，当放在传感器上时就会直接挡住了对应像素位置的入射光，无法进行有效成像。因此传感器除尘很有必要，无反镜头因为镜尾更贴近传感器，所以换镜头时也可以顺带看看有没有灰尘，用皮老虎吹一吹。而镜头内的灰尘虽然不影响自动相机的拍摄，主要影响透过率，但严格来说也会让像差复杂化，并且影响虚化光斑效果，有强迫症的话最好还是做足防护工作。

防护性方面老蛙24mm F14做得很不错，因为机械结构都在内部，除了换镜头时有空当之外基本不会有异物入侵的机会，而且前组20cm左右可防水，所以能够伸进水中进行拍摄，所以耐候性很靠谱，我也在拍摄时不小心“挥舞”它敲过好几次墙壁、脚架、桌面了，目前来看毫无影响，日常耐用性比较稳妥（当然，还是小心点好）

LED补光也不是随时都好用，非探入式拍摄时独立布光会更好用，LED有时候反而会因为大光比、被摄物反射等现象造成拍摄困扰，按需开启最稳妥。

这次我选择的是EF卡口视频版老蛙24mm F14，与相机版相比唯一的不同就是F14-F44无级光圈环和对焦环采用了齿轮设计，方便上跟焦器。如果要与传统设计的镜头相比，它的成像性能严格来说并不算出色。但毕竟这是一颗特种应用型镜头，甚至可以说是仅此一家，所以像差测试没啥意义，24mm让它在放大倍率较高的情况下依然有相对充裕的视角，合理构图时可以实现带环境的微距主题，比60mm、100mm等常见微距焦距更生动。素质在3000万级带低通传感器上是绰绰有余，如果你用手机看照片就更没啥影响了。

总体来说这是一颗很好玩的镜头，但因时间的关系，截至写这篇文章的时候没有来得及拍太多照片和视频（特别是户外水下的），以后我会陆续发一些用老蛙24mm F14拍摄的素材，到时候再继续做体验分享吧，感谢大家阅读。