这次也不是牙膏,万金油型F2.8变焦镜头设计解析

2020-01-16 13:45:26 12点赞 21收藏 4评论

前几天佳能相当于“官宣”了EF卡口镜头暂停研发的消息,而且是在刚发布EF新旗舰1DX3的情况下如此表态,已充分表露单反巨头转型无反的态度。其实大家应该都很清楚,无论佳能尼康,镜头产品线的布局已经十分成熟,甚至可以说接近饱和,连年下滑的市场颓势足以说明问题,所以从营销的角度来看,亟须新产品线来刺激市场。


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而在镜头产品中,24-70mm F2.8无疑是各家大三元甚至是全系高端镜头里保有量最高的那一支,从刺激市场的角度来看,无反版24-70mm F2.8上高规格是势在必行,而佳能确实也正是这么做的,其中最重要的变化就是RF版24-70mm F2.8一上来就解决了EF版用户多年的述求——光学防抖。无反时代佳能在机身防抖上慢了一步,所以光学防抖的加入也是大势所趋,只是感觉有点老用户不如X,因为真不是加不上去,就是商业策略的问题……


这次也不是牙膏,万金油型F2.8变焦镜头设计解析



上图为EF版,下图为RF版:


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先来说说与EF版在光学设计上的变化吧,一般来说光学系统设计求解主要有2个思路,第一是借由同类型的成型设计进行缩放优化,缺点是设计指标的适应性差,但优点是容易上手,比如RF与EF版24-70mm F2.8光圈前的部分就相当形似(事实上很多此规格镜头都是这类前组),都是3片正组+6片负组的组合,乍一看面型倾向性差不多,区别在于在光束由收敛向发散转向的位置,RF选择了UD而EF选择了非球面,各有优点,其实如果能用上RF 70-200mm里的那种非球面UD复合设计就两全其美了……总体用料上两者差别不大,EF版多了一个超级UD(可近似理解为人造萤石),以及其中一片非球面为研磨抛光工艺,但RF版有光学防抖和ASC镀膜。

而光学系统求解的第二种方法是使用近轴高斯光学和像差理论求初始解,缺点是计算量大且对设计师经验有依赖性,但优点是方法灵活且适应性强,更容易达到设计目的,这也是RF与EF 24-70mm F2.8光圈后组设计不同的原因。相对来说,RF 24-70mm F2.8的设计是典型求高分辨率的设计,先是一个带UD的消色差胶合正镜,紧接着负焦距防抖组又带了非球面扩束,然后是一个UD+消色差胶合+非球面的正镜组合,这里的UD比较关键,如果不上高异常分散材料就很难校正长焦端的轴向色差和广角端的倍率色差,除此之外它的焦距也需要合理选择,过短会导致长焦端球差变大,过长则不利于校正前述色差。


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这一组后又是用于对焦的单片负镜,再紧接最后一组带非球面的正镜组,至此,仅后组就有足足连续5次转向,且每一次转向都会伴随校正手段,再加上除了最后一组之外的焦距都相当短,设计十分紧凑,对公差的依赖度高,冷加工和装配都有一定的难度。而且实际上后组的设计关键是最后一组,特别是最后一片,它必须是正镜(因为要收束),也必须是高折射率材料,如果折射率低,一来难以消除长焦端前组过校正的倍率色差,同时也很难抵消前组匹兹凡场曲的负分量,而且还要加大厚度。并且为了较好地消除场曲和球差,它的面型也有比较严格的限制……可以说这不起眼的一片在整个系统中起到的作用十分巨大,反过来说也是决定性能的关键。

此前有朋友问我为什么很多镜头结构图里看起来好像有不止一个光圈,比如EF 24-70mm F2.8,其实它前面那个开孔较小(但实际上可变)的光阑是辅助光阑,设计目的是为了在变焦过程中补偿光圈尺寸,并在不同对焦位置时缩放尺寸以阻挡在设计需求之外的边缘光线,进而减少球差等像差。


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事实上有的镜头足足有3个光阑,比如上图的EF 16-35mm F2.8 III,再多出一个的目的既是为了更好地满足变焦时的光圈补偿和像差补偿,同时也能起到消杂光,减少眩光鬼影的效果。不过随着机械设计和镜筒内壁加工技术的提升,多光阑的需求也在渐渐变小,所以RF版24-70mm F2.8就只有1个光阑,RF 15-35mm F2.8则减少到2个。

防抖镜组的加入让RF 24-70mm F2.8多了2片镜片,而整个系统多出了3片,这意味着无论镀膜技术再神奇,眩光鬼影也一个都少不了,所以直面强光源时需要结合遮光罩和取景角度来规避或者控制眩光的影响:


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多出来的镜片和机械构造会导致光学系统重量变大,但从沿轴厚度来看,EF版反倒比RF版多出近10mm,再加上新镜头一般会用新镀膜,所以理论上EF版的T值会比RF版低一些。RF版在24mm收纳状态时的镜头总长比EF版多出约13.5mm,造成这一区别的主要原因是RF版的镜头群分组更细,导致组间空气间距较大,估计接近60mm,而分组较少的EF版不会超过30mm,在各类数据相加之后RF版的总长就会更大一些。

而EF版对焦到70mm端需要伸出32mm,RF版只需要28mm,但整体长度依然要大约10mm,考虑到无反机身比单反要薄,所以EOS R+RF 24-70mm F2.8mm和5D4+EF 24-70mm F2.8在长度和重量上倒是没啥差别。

RF 24-70mm F2.8的对焦设计改进也相当巨大,事实上整个RF大三元系列的对焦都采用了精简化的思路,比如EF 24-70mm F2.8需要推动整个第二大组足足6片来进行对焦,因此使用了大扭矩、可快速启停的环形超声波马达,而RF版因为镜后距很短,因此可以则把对焦镜片缩减为仅仅一片,放在镜组靠后、光束高度较低的位置,不需要高扭矩的对焦马达,适配体型明显更小巧的NANO超声波马达+丝杠来直推,从而给其他电子和机械部件腾出了设计空间。

而且虽然官方并没有宣传,但RF 24-70mm F2.8的呼吸效应抑制能力相当出色,尤其是在70mm端,即便从最近到最远都几乎看不到视角差,可参考以下F22拍摄的GIF动态图:


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这一点比EF版要强很多,说明RF版在设计时做了优化。而在24mm端要稍微明显一点,而且与RF 70-200mm F2.8一样是最近对焦时有效视角增大/有效焦距缩小(其实EF 24-70mm F2.8也一样):


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但因为24mm端的最近对焦距离从EF版的355mm一下子缩短到了216mm,所以微距视角对RF 24-70mm F2.8来说也不是问题,70mm端最近对焦距离为374mm左右,比EF版的358mm要远一点点),而且它没有跑焦的问题,但前几天发布的RF 70-200mm F2.8也已经把这问题解决了,算是皆大欢喜。

虽然在设计上已经做了诸多的优化,但变焦镜头的像差校正依然是很难做到均衡,轴向色差方面,在放大观看情况下依然是肉眼可见的前紫后绿,特别是比较重点考察轴向色差的长焦端全开:


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24mm广角端全开的情况稍好,作为一款稍带微距功能的镜头,广角端轴向色差的控制也比较重要:


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倍率色差的主要问题是无论广角长焦,边缘区域的消色差都做得不够好,这在拍摄风光放大观看时会稍微影响心情,但总体来说依然属于可以接受的水平。

在光圈全开拍摄点光源时,哪怕极限边缘区域也基本没有受彗差与像散的影响:



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在关闭机内校正的情况下,24mm有一定幅度的桶形畸变,可直接被观测到:


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而在70mm端则有轻微的枕形畸变:


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不过因为畸变只引起成像变形而不影响清晰度,对没有计量/测量需求的摄影光学器材影响不大,通过机内或软件后期很容易校正,因此并不算什么特别大的问题。

各级光圈的分辨率方面,整个焦段中心部分的素质都相当高,长焦端F2.8全开基本就是最佳水准,广角端缩F4就摸到天花板,相较EF版老大哥有一定的进步,这种设计也符合24-70mm长焦拍人像,广角拍风光的应用述求,结合EOS R这种不那么强调高分辨率的机身也有还不错的表现,甚至不比A7R3+24-70GM差。如若新一代6500万像素机身传言属实,那RF 24-70mm F2.8届时的分辨率表现应该会更上一层楼。

不过它的边缘素质相对弱鸡,70mm长焦端主打人像的话倒还无所谓,反正都虚化了,但24mm端拍风光就要较真了,这时候即便是收缩到F8也并不会比F2.8好到哪里去:


这次也不是牙膏,万金油型F2.8变焦镜头设计解析



你能猜出谁是F2.8谁是F8么?给个提示,从暗角的角度去猜。可见无论什么光圈,在24mm端都存在疑似场曲和球差校正不良导致的结像不实。


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24-70mm F2.8作为万金油型镜头,长焦拍人像是家庭、婚庆、会议等主题的必备,比较考验虚化效果,70mm F2.8实测如下:


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很明显,长焦端背景和前景光斑均受轴向色差影响有比较明显的色环,同时背景光斑内部隐约可见非球面光程差导致的洋葱圈,但9片光圈叶的形状较圆,球差倾向于欠校正状态,这意味着它的背景虚化二线性不会特别明显,而且光斑亮度分布在同类镜头里算是比较好看的。

除此之外,长焦端的口径蚀也并不明显,极限边缘的光斑变形并不算严重,而且也不存在切口的问题:


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光圈在收缩到F16左右就能有比较漂亮的18星芒效果了,而且光圈叶片的边缘为弧形切面,因此星芒收束呈集中形态,较为美观。


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防抖是不得不测的一个部分,RF 24-70mm F2.8并不是此规格第一款带光学防抖的镜头,腾龙、适马甚至尼康都有搭载光学防抖的版本,但几乎都因为光学防抖的搭载而导致翻车,但RF 24-70mm F2.8成像依然素质很出色,也体现了佳能在镜头设计上的实力。

首先,RF 24-70mm F2.8的防抖只有开关选择,为混合式设计,在横移机身追拍时防抖镜片不会进行强制补偿,所以可以准确拍出主体清晰,背景线性模糊的图像,这与视场角更小而需要分档位的长焦镜头有区别:


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其次,它的防抖效果非常出色,实测24mm,F2.8,ISO 400000,0.8秒(以1/30秒为安全快门则意味着接近5档补偿)的极限弱光环境手持拍摄,出片率依然很高,虽然受噪声影响较大,但100%放大也能看清细节:


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70mm端以F2.8光圈拍摄小微距,即便是在夜间室内灯光照明的情况下,也可以放心把ISO下调到100,以1/5秒快门手持拍摄(以1/80秒为安全快门则意味着4档补偿),既能获得锐利的焦内品质,也不受高ISO噪声的影响,关键是出片率也很高,不是铁手也能拍:


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最后要给RF 24-70mm F2.8来个总结的话,作为万金油镜头它是完全合格的,即便我挑了不少刺,但有一说一,这些小毛病并非它独有,而且需要一定程度的数毛才能发现,综合来看它的优点还是明显比缺点多:全焦段都有很不错的大光圈分辨率、各种像差也都在合理范围内,再加上防抖效果非常出色,极小的长焦呼吸效应也适用于视频拍摄,均衡性很不错。作为目前各家24-70mm镜头里最贵的之一(与索尼24-70GM一个价),个人认为是符合其定位的,如果价格再松动一点的话,就更值得RF卡口新玩家上手了。


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