600mm的同与不同：长焦系统的设计解析与飞鸟主题实拍

对于镜头光学设计而言，视角的两极往往难度会相对更高，而人类双眼重合视域达到了124度，换算为等效全画幅焦距即为11.5mm左右，达到了近似鱼眼镜头的标准。所以相对于广角，真正看不到的长焦视角往往更能激发人们的好奇心，而原始的长焦镜头结构大家估计很难想象到，因为是它这个样子的：

我没放错图，你也没看错，1960年代之前长焦镜头的大致形态就是这种一正一负胶合，当然单个正镜理论上也可以做，放大镜不就是起到放大图像，也就是缩小视角的作用么？但单透镜的像差是无法控制的，所以才需要做最简单的一正一负的组合，利用负镜来校正正镜像差，效果明显会更好一点，事实上鼻祖级的达盖尔相机也使用的是这种结构镜头（不过它的负镜在前）。

这种组合其实跟近摄镜是相同结构（也有单正片和正负胶合的区别），大家甚至可以自己用延伸筒和皮腔来做一个这样的长焦镜头，近摄镜的屈光度d=1000/焦距f，比如一块2倍放大（也就是d=2）的近摄镜焦距就是500mm，将它放在最前端位置，后部连接数个延伸筒并加入皮腔来做对焦结构，皮腔收拢时的系统长度（包括法兰距）需相对焦距短上一点，以预留无限远处对焦的运动空间。这就是一个DIY的500mm长焦镜头了，光圈值会因具体使用的接环内径不同而不同，最短对焦距离则是由皮腔延展后的最大长度决定。

但这个结构的缺点是系统长度比焦距还要长（哪怕是后续的4片4组型），500mm焦距也就意味着要抡着半米多的器材出门，而且还挺笨重，成像素质却停留在古董级，光圈也非常小（不手动做接环的情况下500mm往往在F10开外），因此需要引入更复杂，但能有效缩短镜头尺寸的结构，望远型设计就呼之欲出了。

看这个600mm F5.6的结构图，不难发现它的焦距为600mm（像方焦点F’和像方主点H’的距离），但它的镜组长度不过300mm（但后截距相当长，所以镜后其实还要加一个相当长的延伸筒）。为何能这样？先看古典型设计的简化图：

逻辑很简单，透镜所在位置就是像方主点位置，所以焦距就正好等于整个系统的长度，而望远设计的基本思路就是在这个正镜系统后间隔一段距离，接上一个负镜：

可以看到因为负镜的加入，像方主点往物方移动了一段距离，而像方焦点则朝像方移动了一段距离，这意味着在相同的系统长度可以实现更长的焦距，反过来说就是相同的焦距可以做更短的系统长度。顺道一提，与之相反把负镜放到前面的话就是广角镜头常见的反望远设计。

望远设计是超长焦镜头上的标配，一般可以把镜筒长缩短到焦距的70%甚至更低，但简单型望远设计往往意味着主光线角放大率明显偏大，让枕形畸变的校正变得比较困难（当然，数字时代可以通过后期进行校正），光线高度很高、光程较长也意味着二级光谱也会随焦距的增加而增加，需要性能更出色的材料来进行校正，这也是为什么萤石主要应用于长焦具体的原因。所以以前的超长焦大光圈前组正镜的尺寸都相当复杂，外形上很经典的代表作是1970年代的尼康600mm F4 IF-ED：

它的结构是这个样子：

整个镜头的长度为460mm，望远结构明显降低了它的长度，但却没有解决甚至还放大了另一个缺点：笨重，巨大的多镜片前组还让它的整体重心非常靠前，而改进这个问题的方法严重依赖于光学材料，如果前组使用少量镜片则意味着要么采用高折射率镜片，但这意味着像差明显增加，后组校正困难，而如果选择低折射率镜片又会导致系统长度变大，所以那个年代采用复杂前组设计也无可厚非。而且可以明显看到随着材料的不断进步，前组除第一片之外，因为无限远处对焦时，焦距/光圈F值得到的入瞳径最大，在大光圈的前提下系统初始口径基本受制于此而难以小型化，但后续镜片逐渐往后移，却往小尺寸化发展。到目前最新一代，比如佳能600mm F4 III和索尼640GM，第一组已经可以用单镜片来实现：

而且品牌之间几乎是不约而同地采用了非常近似的方案，最关键的第一片使用了具备一定折射率，但同时阿贝数和异常分散性也够高的新材料，比如PCD51/SFPM2，这样一来即便是与第二片有较长的间距，也不会对后组校正造成很大的难度，毕竟佳能接上的就是一个正萤石-高折射负-正萤石组合，索尼更是直接怼了3片萤石，还把对焦镜片做了非球面处理，长焦镜头很关注的倍率像差在这种组合下可以得到有效校正，再结合碳强化镁合金镜筒材料，轻量化才逐步得以实现，当然，材料和试制成本也蹭蹭蹭往天上飞了……

在材料和工艺相同的时代背景下，如果想要进一步的轻量化该怎么办呢？第一是（不改变像场的情况下）缩小光圈，自然而然就能降低对镜片数量和性能的需求，进而大幅缩小镜身尺寸，而且成像效果在不需要高成本的情况下就能收敛得很好，目前仍在售的最简单粗暴的例子就是佳能400mm F5.6：

很简单的6组7片望远结构使它有相当长的后截距，但重量只有1250克，比大它一档光圈还用上DO镜片的400mm F4 DO轻了850克，前口径甚至只有77mm……可见光圈对长焦镜头体型的影响，在小光圈的加持下也更方便做变焦设计，比如索尼200-600mm F5.6-6.3。

第二种方法是缩小像场，光学设计本身是可以缩放的，在市场允许的情况下就能做这样的设计，代表案例就是1英寸底等效24-600mm F2.4-4的索尼RX10 M4，它的实际物理焦距仅仅是8.8-220mm，光线高度也大幅降低，镜片尺寸从而缩小，可以放心上特殊镜片来堆规格，整机重量与APS-C套机差不多，便携性很凸出。

当焦段来到500mm以上还想兼具一定移动性的话，做到F4就已经基本到了极限，而从绝对值来看F4并不算是什么很快的光圈，更何况F4级别的大多数人都买不起，所以超长焦应用（野生动物和体育主题）往往需要结合高速机身才能保证更高的出片率，这也是单反时代个位数机身是长焦职业摄影师标配的原因。而我为200-600mm F5.6-6.3搭配的是A9，跟RX10 M4一样都是堆栈式传感器，都有很强的片上相位差对焦功能，但从硬件来看，A9无论对焦系统、算法、缓存都明显更强一个档次，但RX10 M4胜在600mm端的F值足足快了两档，不过只有光学防抖，而A9+200-600是五轴+光学防抖双保险，总体来说A9+200-600即便不实拍也可以确定稳赢，但我的好奇心上来了：用它拍鸟到底靠不靠谱，RX10 M4又能达到它的几成功力？

长焦镜头的对焦速度往往比较快，最主要的原因在于对焦镜片基本位于镜组中后部，镜片尺寸小，数量也少，部分甚至只需要移动其中一片而已，可以参考下面这个长焦变焦镜头的设计:

圈出的一片就是对焦镜片，可以看到它的运动距离其实并不长，再配合有高扭矩特性的超声波马达，实现快而准的启停。同样的道理也适用于200-600mm F5.6-6.3和RX10 M4那颗24-600mm F2.4-4。

这次的测试主题是飞行中的鸟，先解决“能不能”的问题，其实这俩机身的“广域”对焦模式体验很接近，都是一个个小小的对焦框在相位差区域内到处飞，但A9的区域占幅明显更大，所以在应对600mm这种只有6度左右超窄视角、飞鸟很容易跑到像场边缘的主题来说，A9的成功率相对会更高一点。而且在都开启最高连拍AF-C的情况下A9的帧间延迟是肉眼可见的更低，哪怕它的连拍速度其实比RX10 M4更慢一点。

高速连拍对于运动物体的优势在于电光火石之间也能抓住目标，比如体型非常小的翠鸟，想要把它拍得更大就需要凑得比较近，比如趁它落在栏杆上时就能给它拍个肖像了：

但翠鸟的飞行速度相当快，而且还带明显的变速和转向动作，等它完全起飞后再抓难度很大（特别是窄视角的情况下），比较稳当的方法是从它起飞的时候就开始抓起。不过拍过的翠鸟的应该知道，它的启动也很快，从取景器里看到它起飞到按下快门再到快门运动、光圈打开、开始曝光这一系列都存在时滞，有时候一顿操作猛如虎，下来一看其实也就前几帧拍到了，后面的都已经飞出取景范围，所以连拍速度越快，就越容易抓到关键的照片。

A9+200-600mm的组合相对更适合进行这种小物体的抓拍，但如果是拍摄相对较大体型的飞鸟，比如下图的夜鹭，RX10 M4的对焦系统就完全没有问题：

上图为RX10M4在600mm端F4全开拍摄，ISO 800。侧向飞来的这种追焦只要将主体维持在相位差区域内就没有压力，24fps可以做到张张精准。

下图为A9+200-600mm F5.6-6.3，也是长焦端光圈全开，这种迎头鸟的拍摄对这套系统来说也没什么难度，飞行中的珠颈班鸽也能轻松拿下：

以前听说无反拍鸟会出现“对到尾巴对不到脸的情况”，单反拍鸟我遇到过这种情况，但这也算是我第一次用无反拍600mm长焦，令人欣慰的是至少这次没有发生这种事：要么脱焦，要么运动模糊，要么就对准了脸，随便拿一张看看便知：

很明显，夜鹭的眼睛是清晰的，远端的翅膀是模糊的（此时它处于滑翔状态，没有扑腾，所以不存在运动模糊）。而类似的照片在RX10 M4上也能找到：

使用更小的传感器的RX10 M4景深更深，几乎不会出现焦点偏移的情况，而且事实也证明它完全能够胜任飞羽摄影的主题，考虑到飞羽或体育主题在大多数时候都有着比较好的光照条件，1英寸信噪比相对较低的缺点在这种情况下也会弱化，而且在炎热的夏天数个小时拍摄下来，RX10 M4对拍摄者的体力压力也明显更小一些。

接下来对比一下虚化效果的差异吧，从前面的照片应该能看出两者明显的不同，这里可以具体来比较一下，先算算背景距离Ua、物距Ub相同时，背景虚化光斑的大小吧，有公式：

假设对焦点在50米处，背景点光源在100米处，全画幅物理焦距F=600mm，光圈N=6.3，1英寸机物理焦距F=220mm（等效600mm），光圈N=4，可以计算出前者的虚化光斑直径C为0.571mm，后者是0.121mm，代入到各自画幅上，前者占0.571/43.2=0.0132=1.32%，后者则是0.121/15.9=0.0076=0.76%，显然，全画幅600mm F5.6在相同条件下的虚化光斑也比1英寸等效600mm F4更大。

除此之外，虚化也受光圈形状和具体位置正负球差的影响，但这俩显然从视觉上就不是一个级别的：

都是拍这个造型很嚣张的鸬鹚，全画幅600mm F6.3的虚化效果（上图）明显要比1英寸等效600mm焦距F4（下图）要更好。

接下来这组对比应该更能看出区别了，焦内分辨率A9也有明显的优势：

再看看200-600mm F5.6-6.3的色差表现，这是现代长焦镜头最主要的像差，600mm全开光圈几乎没有倍率色差，轴向有一点点，但实拍时基本看不出。

所以，对于普通爱好者来说RX10 M4拍鸟是挺够用的，追焦性能强大，拍飞鸟也没问题，画质应用于社交网络没有问题。而A9+200-600mm F5.6-6.3的优势则是更快的响应（意味着更容易出片）和更好的成像素质（更大的传感器和更高的像素），适用于商业摄影师。这一点在100%放大看细节时可以明显感受出差异：

高频区域A9保留明显更好，当然，这俩本就不是一个档次的东西，这样的对比其实并不算公平，只是满足以下好奇心而已。顺带一提，在1.5小时内我总共拍了近500张照片，A9的电池消耗在45%左右，所以结合较大功率的电池和适时节能设计，无反的续航也并没有大多数人想象中那么差，在机身明显比同为速度机定位的单反更轻巧的情况下，多带电池也并不麻烦。RX10 M4也有一些明显的节能手段，比如不按快门的情况下它的取景器刷新率和分辨率明显是有降低的，用它拍摄了300张照片左右，耗电也不过40%。

现在来看，阻碍长焦镜头普及化的主要原因还是体型和价格，虽然长焦视角很独特，但大多数尚在工作年龄的爱好者并没有太多时间跋山涉水去拍摄野生动物，我身边就有很多人的长焦镜头都在吃灰。而且受制于物理结构和画幅，未来的高性能无反长焦镜头也不可能做小（长焦的小都是建立在以前庞大的基础上），但长焦镜头的设计是一直都在持续进步的，最近有点期待的是外变焦的RF70-200mm F2.8……

啰里啰嗦的写了这么多，最后多放几张A9+200-600拍的照片吧，本文图片均为JPG直出（部分有裁切但没有动其他部分），感谢阅读。