对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

2019-03-20 14:15:15 49点赞 151收藏 39评论

今天跟大家聊几个应该是很容易让人产生疑惑的镜头设计问题,虽然单纯看光学镜头已有数百年历史,但真正走上井喷式高速发展道路还是在近十余年,这里面不仅有材料上的进步,也有因图像传感器性能不断提升而激发的新结构思潮,当我们正处于一个传统与新意交接的时间点时,历史遗留就既可以说是财富也可以说是累赘了,这取决于当时所处的具体环境具体分析,今天说的这几个疑问也同样如此。

那么,话不多说,切入主题吧。

第一问:F0.95为什么不能做自动对焦

在36mm x 24mm全画幅相机镜头历史上,自动对焦的最大光圈是佳能EF 50mm F1.0所创造,而与它差别非常小的F0.95为什么不能做自动对焦?这主要得从结构来说起,EF 50mm F1.0的结构如下图:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

除此之外徕卡Notctilux 50mm无论F0.95还是F1.0也都是类似设计:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

上为Noctilux 50mm F0.95,下为F1.0

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这些超大光圈标头都是很典型的非对称双高斯设计,而双高斯设计基本都是靠移动整个镜组来进行对焦,但佳能50mm F1.0这颗镜头有几个特别之处,首先是它采用的是与85mm F1.2相同的电动对焦,除了最后1片之外,其余10片镜片在对焦时都会向前移动,内镜筒会伸出(作为对比,EF 50mm F1.2则是在镜身内部移动,所以拧上滤镜就成了内对焦),所以外形上长得也更像85mm F1.2。其次,虽然都是非对称双高斯,但佳能的F1.0版比F1.2镜片更多、镜片尺寸更大,这都是为超大光圈校正像差而必需的设计。这时候再回头想想,为什么要用电动对焦?其实就是为了推动厚重的全镜组(特别是在手动模式下,可以起到助力的作用),因为无论50mm F1.0还是85mm F1.2体型都在1公斤以上,比起其他焦段或小光圈镜头只需要移动部分镜组(或者质量更轻的整组)甚至单块镜片就能实现对焦来说,F1.0对自动对焦马达的驱动力要求要高很多,但即便如此,大家也应该知道85mm F1.2对焦是出了名的慢,这还是扭矩强大的环形超声波马达“仅仅”只需要驱动7片镜片的前提下,所以简单来说,F1.2几乎单反定焦镜头的一个分水岭,超过这个数值即便是沿用经典设计,实现自动对焦也具备极高的现实难度。

更具体的是,双高斯在超大光圈下可谓疲态尽显,即便是徕卡Noctilux系列也不例外,全开时满屏幕都是几乎完全不受控的球差、色差、彗差……

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花了远超常规50mm大光圈定焦的价格,却只能买这种画质的玩意儿?这也是为什么新一代超大光圈定焦镜头不再坚守传统设计的重要原因,而且第一个下手的就是蔡司Otus系列,要知道蔡司的元祖级大神Paul Rudolf就是双高斯结构的缔造者,虽然今天的蔡司早已不是当年的蔡司,但在敢打敢闯方面依然是底气十足,Otus 55mm F1.4最大的特点就是将前组为凹透镜的反望远设计用到了标准镜头上,所以它的全名才叫APO Distagon 1.4/55,一举把大光圈标头的画质上限拉到了一个全新的高度。

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蔡司原厂不做自动对焦主要是商业因素(索尼E和富士X就有自动对焦,当然你要说血统的问题那就是另一个话题了),佳能和尼康并没有授权给日本本土之外的公司生产自动对焦镜头。对于光圈突破F1.2的新设计镜头来说,自动对焦面临的问题依然是对焦马达驱动力、精度、速度等几个方面,以尼康58mm F0.95来说,从这张图不难看出:

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它的镜身直径跟Z7机身高度几乎相同,即便结合这张照片的透视来看,直径也是接近100mm的水准,这意味着内镜组的最大直径会在85mm甚至更大,如果能做后组对焦,比如尼康去年提交的58mm F1.4镜头专利里就利用了后两组移动对焦设计,或许还能努努力做做自动对焦,但从对焦环的位置来看,58mm F0.95很可能依然是前组对焦,那么问题就又回去了,F0.95的对焦精度需求可不是开玩笑的,慢可以,至少要准,对于超声波马达而言,增加运作速率能调的地方不多,对形状、材料、压电陶瓷设计、算法都有很高的要求,而且还得是在有限的空间下搞定,这些方面都需要从商业角度去进行权衡,在舍弃这一切后的手动对焦也要6000美元(超过40000元人民币)的前提下,疯狂上自动对焦值得么?

所以超大光圈定焦镜头不做自动对焦,有硬件上的原因,更有营销方面的考虑,因为定位太高,这个趋势应该会在很长时间内延续下去。

第二问:超大光圈变焦镜头会怎样发展?

在佳能RF 28-70mm F2推出之后,超大光圈变焦镜头应该会形成一波潮流,结构上的方案在此前已经有过讨论,在这里就不复述了,佳能最近又推了一个新专利方案——14-21mm F1.4:

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大致说一下,第一片85mm大直径的弯月形凹透镜、第二片55mm的弯月形凹透镜、第三片47mm双凹透镜的第一面均为非球面,也就是整个系统的第1、3、5面为非球面,除此之外最后一面也是非球面,虽然不知道具体的工艺,但单就第一片就不会便宜。U1和U4都是凹透镜组,换言之这颗镜头的光线追迹是负正负正两次弯折,所以整个U2以及UR的第二三组会出现特殊镜片来校正像差,其中最后一组出现了一个“OE”标志,这是一个特殊的光固化树脂粘合层(有点类似BR),因为具备很高的异常分散性特质,设计在这个靠近传感器的位置有助于消除二级光谱,但这个它也会恶化广角端的轴向色差。

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

从计算结果来看,广角端球差和像散收敛较好,但桶形畸变很明显,色差则是在长焦端表现更出色。

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

这颗14-21mm F1.4变焦镜片是结构图中的U2、U3,并联动光圈一同移动(但变焦中各自位移量不相同),换句话说这是一个内对焦镜头,对焦组是U4,整个镜组的专利设计长度为191mm,这是一件很有趣的事情,191mm意味着跟EF 70-200mm F2.8几乎相当(199mm),当然往往从专利到量产会有数值差,但整体方向不会有太大变化,而RF 70-200mm F2.8已经确认为外变焦,长度可以做到非常小巧的水平,在以前的文章里曾提到过焦距越靠近法兰距就越容易做大光圈或做小尺寸,但两者难以兼得,更何况还是变焦。

14-21mm F1.4还不知道最终是否会以此规格成型,但至少告诉了大家一个事实:在短法兰距的无反时代,广角端大光圈化设计是相对容易的,单反要保证足够长的后截距(14-21mm F1.4仅仅17mm)就意味着需要更大幅度的反望远结构,体型几乎无法收敛……至于有朋友提出14-21mm F1.4这种神仙镜头有没有人买的问题,那倒不是我关心的范畴……我相信佳能应该也不太关心,毕竟秀肌肉占山头的意义更大。

第三问:长焦大光圈能不能做小型化

长焦镜头但凡涉及到大光圈,往往就意味着高高在上的价格和无比庞大的体型,有没有办法在保证大光圈的情况下实现小型化、轻便化呢?简单来说其实是一个材料学的问题,佳能400mm F2.8/600mm F4三代,以及索尼400mm F2.8都是很好的例子,它们的主要设计理念就是将原本位置靠前、直径较大的镜组往后移动,用直径较小的镜片替代。

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上为EF 400mm F2.8二代,下为三代,差别很明显:

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这个设计的特点就是第一片凸透镜远远处于光轴前方,因为在望远结构中,当镜片光学性质一定的情况下,焦距越长,位于前列的凸透镜尺寸就越大,镜片间的距离也越远,在上世纪五六十年代的简单望远结构里这种设计很常见,比如一颗500mm F7的结构就是下面这个样子:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

非常简单的前2片复合凸透镜,后2片复合凹透镜,这就是最基本的望远设计,想做大光圈也没问题,把前组做大就是了,但镜组间为什么要做这么大的间距?通过理想光学系统复合镜片焦距公式F=FaFb/Fa+Fb-d可得,在A镜片焦距Fa与B镜片焦距Fb恒定的情况下,镜片间距d越大,复合镜组焦距F就越大,所以对于动辄400mm以上的长焦镜头来说,内镜组之间出现较大间距的设计是有理可依的。

而且第一片镜片需要使用较高折射率的低色散镜片以尽量缩小长度,第二片开始大幅收小直径也意味着必须采用高折射、低色散、高异常分散性结合较好的新玻璃种组合,才能实现最终的高性能输出,因为没有公开资料所以也没办法分析,但从结果来看,材料的进步是长焦镜头轻量化的根源(碳强化镁合金镜筒也是如此)。

不过就算是这种新设计,镜头的绝对重量依然高高在上,400mm F2.8也还有2800多克,前组口径足足有163mm,那该怎样继续改?腾龙在2017年曾提出过纸面解决方案:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

这是一颗设计规格485mm F4全画幅镜头,这颗镜头最大的特色就是全镜组中最大直径镜片,也就是第一片只有64.5mm。作为对比,适马500mm F4的第一片几乎顶满了144mm直径的镜筒,第二三片直径也相当大,后组的距离相对较远,综合来看设计思路与前面提到的EF 400mm F2.8等镜头类似:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

也就是说,腾龙500mm F4专利的整体直径会相对大幅缩小,而且整个专利最着重强调“成本”二字,简单来说就是一个低折射率低色散的G1前组,比如第一片BSC7虽然是研磨硝材,但并不是玻璃厂重点推荐牌号,性能中规中矩,符合做大尺寸后的低成本述求。然后配合2个小直径高折射率后组G2、G3,特别是G3,别看这四片尺寸小且曲率半径总体偏大,但基本都是折射率1.8以上的高折射透镜,比如NBFD11、FDS90-SG、FD225、TAFD5G/F等牌号,所以即便最大的一片直径也不过17mm,整个G3的焦距也有395mm,这一组阿贝数普遍低,部分色散比数值较高,全开光圈的计算性能如下图:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

上图为腾龙500mm F4光学性能表,下图为适马500mm F4,可以看到适马的球差收敛非常明显强于腾龙,像散幅度差不多,适马变形更小,遗憾的是适马专利没有给出色差规格,但腾龙专利的表现并不算特别好。所以超长焦大光圈镜头不是不能做小,更重要的还是在当前材料下,小与性能很难兼得。

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

除此之外,腾龙这颗500mm F4专利125mm左右的后截距比较长(适马500mm F4后截距75mm左右),配重设计需要花点心思。

长焦小型化还有一个思路就是采用衍射光学元件,它能有效缩小长度,现代长焦镜头镜片数量繁多的最大目的是消除像差,衍射光学元件表面是微米级的光栅结构(从侧面看就是菲涅尔透镜形式的“锯齿”状),它的最大特性就是将普通折射透镜折射率随波长变短而增高(也就是蓝光折射率高于红光),反过来变成折射率随波长变短而降低(也就是红光折射率高于蓝关),这时候只要在衍射光学元件后接一片折射率与之匹配的透镜就能实现色差校正,大致原理如下:

对焦、变焦与长焦,关于镜头设计的几个疑问

所以从校正像差的角度来看,衍射光学元件是一片顶多片常规透镜的存在,可以明显缩小长焦镜头的长度,当然它也有眩光等缺点,但不在今天讨论范畴内,就不延展了。

腾龙方案没有使用萤石,也没有使用衍射光学元件,镜组的设计长度是420mm,整体思路是为了在尽量低的成本下实现长焦大光圈,当然,前提可能是牺牲一点成像素质,除了500mm F4之外,相同的设计思路腾龙还提交了300mm F2.8和400mm F4这两个方案,虽然不知道这项专利最终有没有机会落到实处,但至少证明厂商是有在向这个方向思考,就慢慢等待吧。

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