大光圈的標準進化（從 F/2.8 到 F/1.4）是怎麼實現的？

以前的光圈 2.8 就叫大光圈，可以稱為 「fast lens」，現在大光圈的（口頭）標準已經進化到 2.0 乃至 1.4 ，F/2.8 已經沒法再叫大光圈了。

（澄清一下，這裡並不討論多大的光圈可以稱為「大」光圈，而是以大多數常見說法為參考（比如假設十年前 F/2.8 在媒體報道中被稱為大光圈的比例有 50%，而現在只有 10%，但現在 F/2.0 在媒體報道中被稱為大光圈的比例有 50%，就認為是「大光圈的普遍標準提高了」）

我的問題是，是哪些技術進步使得我們現在可以普遍達到（在可接受的體積前提下）比以前更大的光圈了？也許還包括了人們對鏡頭體積容忍度的增加？

另外，大三元的標準光圈 F/2.8 還有可能再提升么？在光學設定的上限之內，假設體積不變，我們靠技術進步還能提高的空間有多大？還是說，我們目前的製造技術已經接近光學理論的上限了？

上古時代藉助Rapid Rectilinear結構的幫助，人們將光圈推向了F/3.5的極限（貌似有F/3.1的，待考），然後就到此為止了。Petzval則藉助其特性在大光圈上突飛猛進，實現投產的有F/2.2的怪物，用於電影攝影的我記得能做到F/1.9（待考）

以下內容僅供參考，還是那句話，我是搞翻譯的，不是搞光學的。話都有出處，但原始資料對不對就…總體上是靠譜的

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在此之後（撇開Petzval這一支不談），我記得主要有兩條設計路徑。

1、Cooke Triplet

H.D Taylor設計的Triplet結構衍生出了這麼幾個有名的玩意：Heliar、Sonnar、Speedic

Triplet 3片三組的原本設計最大光圈貌似能達到f/3.5，Heliar繼承了Triplet的精神但追求的是畫質而非大光圈，非量產的版本確實有f/2.8，而量產的極限停留在f/3.5

(source: 春曉--Voigtlander Color Heliar 105/2.8)

Sonnar的前身是Ludwig Berrtele設計的Ernostar，一舉跨過了F/2.8的門檻，進入了F/2的世界，隨後將鏡頭光圈推到F/1.8。且這些鏡頭是中、大畫幅使用的…1931年他在Zeiss旗下設計出F/2的Sonnar結構，次年將光圈推進到了F/1.5。這一進步的取得在於他在鏡頭結構後組使用了三膠合的透鏡，利用大麴率鏡片間隔兩個折射率差異很小的凹透鏡，實現了對高階球差的良好矯正——而這正是大光圈鏡頭必須克服的。

Speedic，1924年H.W. Lee的設計則是暴力膜（誤）的代表，通過在鏡頭最後追加凸透鏡（組）匯聚光線，減小原本鏡頭的像場、焦距和鏡後距，實現光圈的突破。這一增光縮焦的做法衍生出許多非量產的大光圈怪物。該思路亦可見於各類X光鏡頭。

下圖就是增光縮焦鏡（紅色部分）

再對比看一下下面的X光鏡頭：

（source: DE OUDE DELFT RAYXAR E RODENSTOCK HELIGON XR E TV）

大可以把上面的X光鏡頭看成三組鏡頭+增光縮焦，甚至整體當成增光縮焦鏡也無妨。這一腦洞開的再大一點，運用到極致，就造出了大畫幅上F/1.4的鏡頭，如果能忍受低劣畫質的話…扯遠了，按下不表。

前組成像，後組縮焦。指標破天的240mm f/1.2

Cooke Triplet這一脈的最大光圈是在Sonnar結構基礎上，Zunow 的50mm f/1.1（9片5組），旁軸大光圈四怪之一。我ebay搜了下竟然有好幾隻…價格比之前合理了不少，有興趣可以競標一下

(ebayer: breguetcamera)

Zunow 5cm f/1.1結構圖。要想光圈大，就把膠合面又分開了

此外，Sony無反上的那隻Zeiss 55/1.8也是Sonnar結構。Sonnar結構焦外好啊（跑題了…），這應該算是現今比較新的Sonnar繼承者了。

2、Double Gauss和他的朋友

1896（1897？）Paul Rudolph設計了最初的，嚴格對稱的Planar初代版本。最大光圈F/3.6。這最初版本相較於早期的雙高斯結構而言，通過增加其中凹透鏡的厚度減小凹凸鏡間的間隔，克服了原本該結構存在的明顯的軸外球差和象散，利用「buried surface」（膠合面兩側的玻璃折射率相同但色散不同）的曲率單獨控制慧差。

(source: From the Series of Articles on Lens Names: Planar)

1920年上文提到的H.W. Lee在此基礎上將結構改為非嚴格對稱，實現了F/2.0的光圈，也成就了Cooke 著名的Series O系列鏡頭，由於不如Ernostar，所以實際流通量不大。但是正是在此基礎上人們看到了Planar結構的潛力，1925年Schneider設計了F/2的Xenon，兩年之後Zeiss為16mm攝影機設計了F/1.4的Planar。Zeiss在此理念上生產的非嚴格對稱的Planar，即後來看到的Biotar。

Cooke Series O（大畫幅用），為人們開啟了屬於Planar的大光圈時代。

（ebayer : new-photo-arsenal）

由於攝影機實際所需像場較小且是動態影像，因此大光圈帶來的邊角畫質問題和像場問題「可以接受」，故而實現F/1.4問題不大，只是在35mm格式上，進化到F/1.4進展緩慢，這一部分，推薦你去看下 @路過凝結 的這個回答：卡爾·蔡司鏡頭到底好在哪裡？ - 知乎。

不過額外需要指出的是，高橋泰夫的7片6組設計（1964）雖然成為後世諸多1.4標頭的模板，但就我所知，A.W Tronnier 1932年的設計就已經有類似結構（source: History of fast 35mm film optic lenses），當然，我並不知道高橋泰夫有沒有參考這一專利。

之後么，1.4 1.2 1.0 0.95都實現了…

• 計算機輔助設計的功勞功不可沒，Planar 50/0.7這隻著名的鏡頭，就是在IBM電腦的輔助設計下誕生的。
• 1927年設計Biotar的時候，所能使用的折射率最高的玻璃只有1.63，而40年之後（即大光圈突破1.4的時代）設計師已經能使用折射率1.8甚至1.9的玻璃，這意味著「匯聚」能力強不再需要非常「凸」的透鏡，大幅降低了球差的問題，也為大光圈鏡頭鋪平了道路。
• 高折射帶來的高色散問題同樣影響了大光圈鏡頭的設計，這一點，則是依靠稀土（鑭系元素摻雜）實現了高折射（相對）低色散的光學玻璃。
• Planar的成功當然也有鍍膜的功勞，這個簡單就不細說了。
• 而Leitz的Noktilux50/1.2和Nikon的58/1.2，則藉助了非球面鏡的力。

大體就是這樣了…

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恆變頭的F2.8當然能突破，但是要面臨買得起和扛得動兩個問題。

APS-C可用的T2.2（F/2）恆定變焦就有 ANGENIEUX 17-80mm T2.2 （相當於35mm格式的24-120mm F2恆定變焦）。喜歡嗎？喜歡就買呀…不到4萬美元

（source: FJS Zoom Lenses）

不是專業人士，作為一個攝影愛好者強答一下

個人覺得鏡頭素質的提高主要依賴於兩點：一是數字化軟體帶來的設計水平的提高，二是製造水平的提高

其中製造水平的提高在非專業人士看來尤其體會強烈：

鏡片加工水平的提高，尤其是以超低色散和大口徑非球面鏡片為代表的一系列特殊鏡片，讓很多之前只能停留在圖紙上的設計成為了可能，適馬最新的12-24 ART和14 1.8 ART都依賴於最新工藝生產的大口徑非球面鏡片

高扭力對焦馬達的研發，讓越來越重的對焦模組能夠被順利驅動

但是不管怎麼樣，再厲害的黑科技也逃離不了光學原理的限制，縱然1.4的光圈已經稀鬆平常，但我們也越來越習慣動輒1kg以上的鏡頭重量。

關於大三元光圈的問題，在我看來單單提高光圈不難，難的是在保證成像素質和控制鏡頭重量的前提下提高光圈，畢竟光學原理就在那裡，想提高光圈只能在重量上有所妥協，大三元都是各家的扛鼎之作，難以想像一個2kg以上的24-70，即便給上f2的光圈，又會有多少人接受呢

半瓶醋（更可能是瓶底點點）強答：135幅面50MM（或者等效）鏡頭的大光圈貌似最常見，個人認為是由於焦距長短與成像圈直徑接近，現有光學材料較易實現（較少的鏡組）經典的雙高斯結構。

到了廣角和長焦就麻煩多了，廣角需要多組複雜的結構才能實現比法蘭短的多的焦距下實現足夠大的成像圈，又要折射率大又要色散小又要光損小，還要校正各種畸變；長焦的結構相對簡單點（理論上呵呵）最簡單的結構只要一個前鏡組一個光圈即可，自己算算吧。。2.0的光圈，200MM需要100MM口徑，400MM就需要200MM口徑，現有的APO標準，2片或3片甚至4片（僅僅是第一組的鏡片）重量相當可觀了，更何況還要增加一堆的校正和增距以及對焦組。反正在長焦鏡頭上現有結構上理論可以做大光圈，但實際不管是重量還是加工工藝都很難。（大口徑的APO望遠鏡的價格好可怕）

至於變焦，如此多的變焦對焦鏡組，要做到快速準確的移動（還要靜音省電），還要口徑夠大，結構穩定牢固，需要一個平衡點吧。。。2.8不小了

1）離理論上限還有很遠很遠；2）把光圈做大，如果假設把設計水平抹齊的話，限制就是材料和工藝；3）其實人和人之間在光學設計水平上，或說叫撞大運上，還有很大的區別。所以有人要用十幾片做出來的效果，有的人只用6片甚至5片就做出來，只能說只要肯嘗試，總能撞上大運。

說到這裡，要明白，光學設計水平的高低，不是看用了多少ED，用了多少非球面，用了多少昂貴又難以生產的材料，而是要看是否能用常規便宜的材料和生產裝配工藝做出超凡的效果。所以大神設計鏡頭，往往是成本低，工藝簡單，鏡片少，又能達到非一般的效果，這也就是你說的，在體積重量不變的情況下，提升光圈大小或提升解析度等級。

光圈理論上不是越大越好，適用就行，畢竟不是每個人都有力氣提著以公斤論重量的鏡頭出去拍照。縮小體積，提升畫質，是未來鏡頭的發展方向，光圈其實只要夠用就行，與體積和畫質相比，光圈是不是做大，其實是很值得商榷的話題。

更多的光學玻璃材料可以選擇，高折射率材料的發展;
鏡頭結構的設計不斷複雜化，以中等視場鏡頭為例，庫克三片，天塞四片，雙高斯六片，進而不斷增加片數進行複雜化;
計算機計算速度的提升，設計更複雜的系統速度變快;
非球面加工技術得以商用，使光路設計中可以利用非球面降低球差。

因為光圈值很容易被大多數人認定為一個鏡頭是否值得購買的重要依據之一，畢竟蔡司不是剛出一個135mm f2.8就被人說這麼小的光圈還敢賣那麼貴不是么。現在鍵攝太多，只會看焦距和最大光圈的也比較多。

非專業退燒型SY愛好者，就是那種很渣的什麼都敢說的主

首先，對於大光圈的理解都有一個過程，其中不知其所以然的人對同樣事情的解讀，就產生很多偏差。就好像F64俱樂部一樣，人家大畫幅所謂的F64俱樂部，說白了也就是135上的F8。被一堆人追捧，無視衍射極限的影響把自己手頭鏡頭擰到最小光圈掛三腳架玩兒長爆不用ND鏡片的，大有人在。

和所有的物理量一樣，光圈係數是有計算公式的。

光圈係數 = [鏡頭焦距] / [入射瞳直徑] = f/d

前面有人講了，上古時代極限大光圈在3.5，這個3.5是大畫幅的10x8的3.5。等效我沒那個技術等效到135系統上，但是可以肯定大畫幅的3.5的通光量，要比135系統里3.5的光圈大。

關於你說把2.8定義為小光圈，不好意思，真的是以鍵盤攝影家和器材黨為主的愛好者們自己定的。

關於問題1： 是哪些技術進步使得我們現在可以普遍達到（在可接受的體積前提下）比以前更大的光圈了？

前面有人詳細聊了玻璃材料、鍍膜材料、計算機輔助設計、非球面鏡片應用，我就不BB了。

需要說明的是，這個所為的「普遍達到」已經很長時間，大概穩定了40年左右了。結構不變的情況下，新技術能夠做出的提升，就是通光量更高，而不是光圈更大，因為已經到極限了。

關於問題2：大三元的標準光圈 F/2.8 還有可能再提升么？在光學設定的上限之內，假設體積不變，我們靠技術進步還能提高的空間有多大？

首先，大三元並不是一個標準，只是愛好者定義的概念。提升大三元是個偽概念，要提升買定焦去。1.2軍團哪個打不過大三元？

第二，體積不變和質量不變的情況下，提高的空間幾乎沒有。

也就是說，這40多年，幾大廠所奮鬥的目標就是如何用便宜材質達到更好的通光量、使用更好的鍍膜達到更好的通光量，以及如何降低成本賣出更多的鏡頭。光學提升？嗯，有那個財力是可以做到的。