轻便需要哪些妥协？主流型35mm定焦镜头设计思路探讨

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：

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：

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：

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：

上为F1.8，下为F2.8：

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。

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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

已知轴上点A的光照度E为：

K为透过率、L为光强度。而轴外像点B的照度Eb则是：

将Eb除以E可得两者之间的倍率差，为：

而从图中不难看出：

两者相除可得：

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：

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。

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。

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：

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：

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：

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。

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。