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轻便需要哪些妥协?主流型35mm定焦镜头设计思路探讨

玩机小胖 09-04 13:38 + 关注

35mm镜头的主要定位是环境人文,简单来说这个焦段的优势是可远可近。在不太计较最大光圈前提下能够设计得非常小巧,比如120克的索尼Sonnar T* FE 35mm F2.8 ZA,更极致的还有仅仅只有85克的森养AF 35mm f/2.8 FE,而从结构上不难看出:


轻便需要哪些妥协?主流型35mm定焦镜头设计思路探讨

轻便需要哪些妥协?主流型35mm定焦镜头设计思路探讨

分别为5组7片和6组7片,能看到一点点Sonnar的影子(其实变化也挺大),但为了广角化都采用了负镜组开头的Distagon型,所以它们都采用了杂糅的设计思路。而小型化也意味着入瞳径会随之减小,很难做更大光圈,事实上为短镜后距旁轴的轻量化设计在历史上并不算特别少见,比如基于双高斯的尼康RF W-Nikkor.C 1:3.5 f=2.8cm:

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产自1950年代的它最轻版本镜身仅仅100克,这可是在材料比重远大于现代环保料的大背景下实现的,足见短镜后距对体型控制的先天优势(当然,手动时代几乎不需要电子件,也会相应减负,而且轻量化的前提是不追求极致规格),相同时代的单反35mm F2.8比较好的例子是35mm f/2.8 Nikkor:

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镜后距明显延长,相应的系统长度明显增加,重量也来到了240克,如果进一步把光圈增加到F2,体重会来到280克,如果要再提升的话就要换设计,体型会更大幅度的增加。

所以对于现代的无反相机来说,35mm还有空间进一步把光圈做大一点,毕竟F2.8在很多人文主题时还是有些吃紧,需要靠拉ISO才能保证快门速度,景深也相对较大。拍摄对象在5米位置时,35mm F2.8的景深有足足3.9米,如果增加到F1.8,景深随之减少到2.3米左右,更有利于突出主体(即便你想要景深更大一点也可以缩光圈)。而微距时就更明显了,比如半米左右物距实拍对比:

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上为F1.8,下为F2.8:

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并且这个级别的镜头有很多方法可以挤牙膏,所以价格并不会贵,关键是需求量够大,毕竟人文主题可以说是相当接地气的。

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以千呼万唤的索尼FE 35mm F1.8为例,这个280克人文镜头的结构有着所有主流价位定焦镜头的共性:几乎没有特殊镜片,只有倒数第二片的两个面采用了模压非球面工艺,对提高分辨率有一定作用。这种简单设计的好处显而易见,材料和加工成本可以做到比较低,但问题同样很具体,像差校正会有相当大的挑战,尤其是在这个像素密度相当高的时代,放大时像差会更明显被观测到。

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对于近轴光而言,针对具体两种色光谱的消色差即便不使用特殊镜片也能做到,单个透镜对无限远处成像时轴向色差数值就是-f/v,f为焦距,v则是阿贝数,而一个透镜系统的轴向色差系数为:

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不难看出,系统轴向色差由各个透镜连加而得(φ为光焦度,也即焦距f的倒数),所以对于镜头设计来说,选定玻璃材料后,消色差的问题就变成了满足总光焦度的前提下,如何合理分配各组光焦度的问题。但无论怎么设计,一个消色差系统基本只能针对两个色光在某个带光位置进行消色差(也就是某两颜色光线只能在某个像高位置实现同点相交),而摄影应对的是整个可见光谱(甚至更宽),其他颜色光线与光轴的焦点依然会有明显的偏差,这种偏差就是二级光谱,是形成摄影镜头色差的绝对原因,而最直接的解决方案就是异常分散性较高的特殊玻璃,因为镜组二级光谱数值仅仅由具体镜片相对色散与阿贝数的商决定。

但对主流价位产品来说,出于成本考虑基本不会使用这种材料,因为高性能材料需要大量组合使用才能实现最终设计目的,所以更适合在大孔径系统中使用,也必然会带来体型增大的结果,新产品中比较典型的例子是腾龙F045 35mm F1.4:

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显然整个系统比索尼35mm F1.8复杂多了,使用了4片ED和3片模压非球面,再加上是长镜后距的单反镜头,所以体重一下就飙到了800克开外,总体来说是反望远复合结构,光圈前的镜组先扩束再收拢,后接一个非对称双高斯。用料虽好,但它的设计有一些问题,冷加工方面就不说了,主要是结构不太合理导致ED没有发挥出应有的作用,要知道这4片即便是产能最大的FCD1/SFPL51,冷加工良率也就五六七成,玻璃材料成本里它们占最大头,但这颗镜头的色差依然相当大(甚至比啥也没用的FE 35mm F1.8还大),4片ED几乎就是用废了:

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其实腾龙这颗35mm F1.4有点穷人版EF 35mm F1.4L II的意思,单色光空间频率响应跑分甚至可以干掉后者,但实用性能的差距还是挺明显。不过考虑到价格确实便宜,还不是只能原谅它……

回到FE 35mm F1.8,这颗啥特殊镜片和镀膜都没有的镜头色差表现自然好不到哪里去,高光比边缘的色差即便是2400万像素的A7M3上也是一眼即见:

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需要收缩到F4左右才能收敛到相对正常的范围,但色差依然明显可见:

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色差对点光源虚化光斑的亮度分布也有明显的影响,简单来说就是边缘带色环,而且形状也不算太圆,非球面的面型精度做得还挺不错,没有产生明显的波前差而导致洋葱圈:

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但FE 35mm F1.8有一个比较有意思的设计点,全开时暗角很明显,接近2EV,口径蚀却并不大:

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从一般理解来说这两者应该是等比的,暗角明显往往意味着口径蚀也会很大,但实际上从光学角度来说是两个不同的概念,但两者间确实有一定关联。先说口径蚀,准确概念为渐晕,轴外物点发出并能够充满入瞳孔的光束,会受远离光阑(也即光圈)的渐晕光阑阻挡,可以参考这张图:

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不难发现,越偏轴外,最终能抵达传感器的光线就越少,且形成的像会渐呈“猫眼形”,这就是传说中的口径蚀,这是一张简化图,部分设计会有两个渐晕光阑,分别挡上下部分。这里有一个比较重要的概念就是面渐晕系数,是轴外点光束在入瞳面的有效面积/入瞳面积的商,这个系数在后面的内容里会用到。在大光圈大像场系统里,因为不可能把镜片直径(尤其是离光圈远端的镜片)做得特别大,因此口径蚀不可能也没必要去修正。但口径蚀一定会导致边缘失光,从而产生暗角,因此:口径蚀越大,暗角越大这个概念是正确的。

但决定暗角的并不仅仅是口径蚀而已,还可能受光线斜射余弦四次方定律影响,画个草图:

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已知轴上点A的光照度E为:

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K为透过率、L为光强度。而轴外像点B的照度Eb则是:

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将Eb除以E可得两者之间的倍率差,为:

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而从图中不难看出:

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两者相除可得:

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再取平方,可得Eb点的照度就是E点的余弦四次方倍,这时候需要再加上前面提到的面渐晕系数K,可得轴外像点的照度为:

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当然,也可以直观的理解余弦四次方,光源到B点的距离比到A点增加了1/cosW’倍,于是照度下降cos^2 W’倍;从B点处倾斜观察光源,可见光源面积减少cosW’倍;光照射到B点因斜射的关系,受辐面积散布得更大,因此照度继续下降cosW’倍,总计下来即为cos^4 W’倍,这就是广角镜头暗角会相对更大的原因之一。

不过,这个算法其实很粗暴,它的前提是出瞳直径为常数且无像差,余弦四次方虽被称为“定律”,但实际上通过设计是可以校正的,比如让出瞳尺寸随轴外点增大,或通过刻意的桶形畸变来减小W’值,亦或是像佳能RF镜头那样采用大直径后组(理论上至少可以保证边缘区域量子效率下降不那么明显)。FE 35mm F1.8显然在这方面没有进行优化,所以它的暗角相对明显,全开基本是随时肉眼可见。

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分辨率方面,MTF其实已算是表态了,它的边缘素质明显不如中心部分(特别是全开),但中心部分的性能很不错,考虑到35mm主要拍中心或黄金分割点对焦的人文人像小品,所以这种分辨率分部对实际应用影响不大。

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还有一点值得研究,那就是FE 35mm F1.8的对焦性能出乎意料的好,速度快,精度高(结合与之更匹配的A7M3),这主要基于两个原因,第一是对焦只需要驱动一片镜片,也就是唯一的那一片非球面,相对而言比如佳能RF 35mm F1.8就是驱动整个前组,对于对焦马达来说显然一片比一组更容易推动;而这马达恰恰就是第二个原因,传统的超声波马达在镜头上的主流是环形设计:

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通过压电陶瓷变压产生行波振动来控制转子移动,优点很多,比如启停快(瞬发启动,摩擦急停)、扭矩大(推多块镜片不费劲)、安静(驱动频率远超人类听觉上限)、造型美观(圆形,直接套镜筒上)、断电状态下也能调焦、无需电磁铁所以对环境不挑剔、发热小功耗低,缺点是对焦过程比较难实现渐进变化,也就是俗话说的“不够顺滑”。

而索尼、富士和一些M43镜头比较喜欢用线性电磁对焦马达,形状上长得也很直观:

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就是直接驱动对焦镜片做沿轴直线运动,不需要环形超声波马达那样做传动,结构明显更简单,下图可以看到FE 35mm F1.8线性马达的轴,永磁体藏在镜组更深的位置所以看不到:

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线性马达最重要的优点是先天就适合沿轴来回摆动(也就是索尼官方的“振颤”,其实从原理来看超声波做直驱也能实现,比如索尼的DDSSM以及佳能的Nano USM),只要控制芯片和片上相位差算法设计得当,让对焦镜片在一个很小的位移量上进行高速摆动,从而快速获取准确的相位差信息,直驱在视觉上也能实现更柔顺的调焦效果,所以在连续自动对焦的情况下,线性对焦马达精度完全不输超过环形超声波。而且单个线性对焦系统体型不大,可以通过多组的方案来实现较大的扭矩,比如135GM上就足足上了4个(当然,这种的缺点就是费电了),速度也是快到飞起,而FE 35mm F1.8因为只推单镜片且位移量仅仅6mm出头,单个马达就已经足够,而且速度还相当快,抓拍和视频拍摄都没有问题。

所以大家应该不难看出,对焦马达是一个“八仙过海各显神通”的设计,而在现代长焦和广角摄影镜头上,各大品牌都在努力减少对焦镜片数量让对焦马达减负,从而实现高性能,但遗憾的是,对自动对焦性能最依赖的中焦超大光圈镜头因为结构的关系,不得不依然采用多组镜片移动对焦的形式,因此在50mm/85mm F1.2级别的产品上大扭矩的环形超声波暂时还无可取代。但随着无反时代的到来,图像识别辅助对焦算法发展神速,大幅减少了对焦系统寻找对象的时间,使得浅景深快速稳定合焦也逐渐成为现实,比如RF 50mm F1.2甚至EOS R转接EF 50mm F1.2的连续自动对焦出片率都很不错,这就是整个时代进步的结果。

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最后再回到FE 35mm F1.8上,考虑到索尼E卡口也算是万能转接(至少转单反镜头没问题),所以35mm镜头的选择一直都还算宽松,即便限制在主流价位,第一梯队也有适马35mm F1.4 ART、腾龙F045 35mm F1.4可考虑,预算再低一点还有佳能35mm F2 IS或索尼自家Sonnar T* 35mm F2.8,但前两者体型相对笨重,后两者要么老要么光圈太小。而FE 35mm F1.8兼具轻便与相对较大的光圈,同时性能在这个价位和这个体型来看除了色差偏大了点,其他方面也挺不错,算是填补了长久以来E卡口人文镜头的空缺吧,与A7M3或APS-C机身搭配走街串巷还是很好上手的。

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全部评论 (45)
玩机小胖
3
09-04 14:29
zdwb: 对了我一直有个幻想,因为cmos是长方形的,那么镜头为什么不能也设计成类似正方形的,正方形的镜片是否对画质有影响呢,感觉这样可以减轻很多重量。变焦和对焦其实就是推拉镜组,这个如果不能拧了那么可以用电子按钮控制,用类似的电磁对焦马达结构应该是可以实现的。 1

镜片之所以是圆形主要是制造的关系。圆形方便冷加工研磨(因为需要旋转),易于定心,装配没有方向性,做成其他形状相当于整个产业链都要改,而且并不会有什么特别的优势

习惯老哥
3
09-04 13:47

写得,很专业,我也是学光学出身的,表示这篇稿子含金量有点太好,不好消化

Lrts
2
09-05 13:19

第一次发现小胖也在zdm。比起知乎,这里热多了,希望小胖能火起来。

yakumo_reimu
2
09-04 15:22
zdwb: 对了我一直有个幻想,因为cmos是长方形的,那么镜头为什么不能也设计成类似正方形的,正方形的镜片是否对画质有影响呢,感觉这样可以减轻很多重量。变焦和对焦其实就是推拉镜组,这个如果不能拧了那么可以用电子按钮控制,用类似的电磁对焦马达结构应该是可以实现的。 1

圆形好加工,而且加工和装配的时候也只用关注光轴,矩形你还要纠结四个角对齐的问题啊…

kungfuzyb
2
09-04 14:38
zdwb: 对了我一直有个幻想,因为cmos是长方形的,那么镜头为什么不能也设计成类似正方形的,正方形的镜片是否对画质有影响呢,感觉这样可以减轻很多重量。变焦和对焦其实就是推拉镜组,这个如果不能拧了那么可以用电子按钮控制,用类似的电磁对焦马达结构应该是可以实现的。 1

那样的话,你的焦外光斑的形状都是方的

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