F1.2是怎样炼成的?85mm人像镜头设计解析

2019-10-23 13:22:00 22点赞 44收藏 13评论

虽然严格来说任何焦段都能拍人像,但要论人像摄影,85mm依然是当之无愧的首选:透视压缩幅度合宜、人像主题拍摄距离不远不近,再加上这是一个即便在光学材料不那么发达的时代也相对容易在超大光圈与体型上找到权衡点的焦段,因此85mm人像镜头既可以实现浅景深高速度,商品价格也能得到较好的控制,成为各大品牌的兵家必争之地。


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从历史角度来看,全对称设计是中长焦大光圈镜头曾经的主流,这里取85mm里较为极端的一个例子——尼康Repro-Nikkor 85mm F1.0:


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你没看错,是F1.0!全对称Planar设计,而且还是一颗1倍放大的微距镜头。这种设计的第一个特点就是全组移动对焦,因此实际使用需要配合皮腔,由此引发第二个特点,有效光圈和有效焦距变化(呼吸效应)剧烈,在最大放大倍率时该镜头有效光圈为F2,足足掉了2档。而对称型的细长结构再加上大孔径、大视场,就必然使得渐晕光阑远离光圈孔径并且直径有限,这会带来非常明显的口径蚀和暗角。

全对称系统在垂轴放大倍率为-1时,第一近轴光线光路对称于光圈面,因此前后半部轴向像差大小和符号均相同,而倍率像差大小相同符号相反,所以全对称系统的轴向像差为半部像差的两倍,倍率像差则抵消为零,因此它很适合用作转场镜组,搭配轴向像差校正组,这也是大多硬式内窥镜的设计模板。但往往在使用时因为垂轴放大倍率并不为-1,这时候第一近轴光线不对光圈面对称,因此全对称就失去了本来的意义,这就催生了结构参数失对称的方式,比如前后组镜片选型和尺寸不同,但总体来说依然能看出对称的“对称型”设计(也就是非对称双高斯型)。在近年来新款发布之前,超大光圈85mm一直是基于材料进步的对称型结构传承,比如1976年的FD 85mm F1.2 S.S.C:


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再比如1982年的Nikkor 85mm F1.4s:


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以及1989年的一代EF 85mm F1.2L:


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和2006年的二代EF 85mm F1.2L:


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不难发现尽管相隔数十年,但这些镜头基本都基于相同的对称型设计(即便是没有列入图里的其他品牌大光圈85mm也是如此),直观上的变化主要只有一个,那就是随着高折射率材料的不断演进,前组越来越小。而这种大光圈设计的典型特点就是不需要太多的镜片,结构简单,再加上专利也已到期(双高斯已有110多年历史),随着国产玻璃厂实力的增进,这才催生了一大票国产85mm F1.4甚至F1.2镜头,类似的还有50mm F0.95等产品……基本不需要细看就可以下定论,一定是基于对称型双高斯的设计。

结构简单有简单的好处,特别是对于七八十年代的老镜头(比如西蔡)来说,非环保高折射材料的大量使用使得短波长透过率明显比现代镜头更高,因此往往色彩非常浓郁,所以一般老镜头直出的颜色就相当“德味儿:


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上图为FD 85mm F1.2 S.S.C样张,不得不说色彩确实很漂亮,事实上像EF 85mm F1.2系列也同样以色彩而闻名。这种简单粗暴的设计在胶片时代或民用数码摄影诞生初期并没有什么问题,但当我们买入高像素时代后,放任的像差就会产生一系列的连锁问题。首先是大量的球差导致分辨率偏低,以EF 85mm F1.2L II为例,在2000万像素时代的中心部分还可以说是具备不错的锐度,但在3000万像素EOS R身上就已经开始呈现疲态,边缘更是迅速崩塌,缩光圈虽然有一定提升,但大家买它图的不就是F1.2?

其次是色差难以校正,前面提到了全对称会增强轴向像差,其中对大光圈人像镜头影响最大的就是色差,对称型设计也不例外,而且因为失对称的关系还很容易造成倍率色差复现,再加上高折射高透材料往往难以抑制二级光谱,所以传统设计的85mm大光圈镜头色彩虽浓郁,但高反差区域前景紫边、背景绿边会直接地呈现在图像之中:


F1.2是怎样炼成的?85mm人像镜头设计解析



依然是FD 85mm F1.2 S.S.C样张,这个紫边在2400万机型上就已经无法直视了,而在高分辨率时代,这些缺点会随着采样率的增加而更容易被直观观测到。

而第三个问题是对焦方式过于传统,固定镜尾一片+前组全浮动对焦的形式在三十年前还算是新颖,但这种需要移动大量镜片的方式显然不利于自动对焦马达的设计,对焦环线性直连凸轮筒的对焦阻尼也相当大,所以EF 85mm F1.2L II甚至采用电机驱动的方式来增强手动对焦手感,但无论怎么设计,都必然会导致镜筒粗大且效率低下。

所以在新时代,85mm大光圈人像镜头也必须迎来设计变革,第一个跳出来的就是蔡司,而它也恰恰是双高斯等传统设计的缔造者,由它来打破传统感觉还挺微妙的……对单反结构来说,需要预留足够长的镜后距来放置反光镜箱,所以拓展思路的方向就只能在前组,这对光学设计来说有几个重点,首先,改进方向的基本只有望远结构,所以增加前组复杂度意味着体型变大、选型难度增加、成本增加,所以不需要太仔细看,基本上一眼就能察觉到无论适马85mm F1.4 ART:


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蔡司Otus 85mm F1.4:


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还是佳能EF 85mm F1.4:


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它们都是3~4大群结构,以光圈为界的前组明显比后组复杂,适马与蔡司滤镜口都来到了86mm,体重也都超过了1100克,即便是最轻的佳能85mm F1.4也有77mm,950克,而且最重要的是,它们都“只做到了”F1.4而不是F1.2,这区区1.4倍通光量的差距就会导致更严重的选型与加工难度,因此新款单反结构85mm大光圈镜头都在F1.4附近。

即便是只比较这三家,各自也有着鲜明的特点:适马主打高性价比,佳能改进对焦性能(中后段少部分镜片移动对焦,效率明显提升,并且加入光学防抖机制),两者的像差表现其实依然不怎么地,主要功能是品牌建设上的“补缺”,而蔡司则是疯狂堆料,效果也是最好,但完全建立在价格劝退的前提下实现,而且没有自动对焦(政策关系)。

所以,最大的问题还是源自结构,在当前大环境下,兼具成像质量和相对低价的重任就落到了无反结构身上,而抢在前头的就是佳能RF 85mm F1.2L,先看结构:


F1.2是怎样炼成的?85mm人像镜头设计解析



与自家EF 85mm F1.4有些接近,但总体来说,短镜后距的无反结构可以在后组下更多工夫,这一点对比蔡司和适马方案就尤其明显,特别是它还是一款F1.2自动对焦镜头,并且滤镜口“只有”82mm,它的结构有点儿意思,可以简单分析一下。

可以看到大体上可以分作3组,从光焦度来看是正、正、负的组合,其中第二组为对焦组,无限远时靠近像方,往近处对焦时朝物方移动,一三组固定,所以这是个内对焦镜头,这也是新一代85mm人像镜头的统一特征,而且内对焦设计相对更容易把最近对焦距离做短,RF 85mm F1.2就能做到与EF 85mm F1.4相同的85厘米,比EF 85mm F1.2缩短了10厘米,这对于室内人像来说更容易施展拳脚。

第一组一上来就是一个胶合组,因为光组为正,所以第一片正透镜为低折射率材料,第二片负透镜为高折射率材料,这算是消色差的起始,也是望远结构的标志。

单独看第二组对焦组,这一组的设计点比较多,首先依然可以看出对称型设计的思路,目的是对焦移动时可保证更小的像差变化。第二组第二片为高阿贝值的UD镜片,但其实第二组第一片对整个系统的重要性也不应忽视,虽然是相对低阿贝值的材料,但它的部分分散比并不能低,因为它的也要起到辅助二级光谱校正的作用,改善轴向色差。所以请记住:像差校正从来都是组合的形式,即便有些镜片并不会标注为“特殊”。

紧跟的第三片,也就是光圈前的一片负镜的第一面采用了非球面工艺,并且注意,采用的是“研磨非球面”工艺,这意味着它的面型精度会明显强于模压非球面(特别是如果采用了磁流变抛光),可以将波前差控制到更低的水平,表象来看最直观的就是焦外虚化的“洋葱圈”现象减弱:


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此处为背景光斑,上为RF 85mm F1.2,下为EF 85mm F1.2,两者全开时光斑都足够圆,但面型精度有细微差距,EF版也可以看到由轴向色差导致的绿色色环:


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在光圈前使用非球面负镜意味着光路从前面的收束正光焦度扩散为无焦,垂直入射于光圈,利于减少轴外光束的遮挡,同时在这个转向且光线高度较小的位置来校正球差。

第二组的后半部分可以说是整个RF 85mm F1.2的核心,也就是BR组的所在位置。作为一个对称型结构组,轴向像差特别是轴向色差可以说无论花多大力气校正都不为过,所以用上了是两个连续的正负、正负胶合,第二胶合组中间的光学BR材料其实准确来说就是具备很高g,F线部分分散比的光敏树脂材料(比如甲基丙烯酰基),g,F线部分分散比甚至会超过0.75(也就是435.85nm波段与486.13nm波段折射率的差,除以486.13nm波段与656.27nm波段折射率的差所得到的的值。此值越高,说明短波长光线的折射率更高)。

之所以使用树脂材料主要因为玻璃料的g,F线部分分散比主要在0.53~0.67之间,想要实现近似的折射效果就得加厚,而树脂填充材料最大厚度也不过2mm,可在大幅缩小尺寸的同时实现短波长高异常分散性设计,所以一个搭配合理的正-BR-负胶合组就能大幅降低短波端的二级光谱,明显缓解轴向色差。这个技术的背后是相当扎实的化学实力,不得不说佳能至少在镜头技术上有着深厚的积累。


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实测对比,上为RF85,下为EF85,均为F1.2全开直出JPEG 100%截图,差距可以说大到没什么必要再多说:


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第三组是负镜组,这个组的主要功能有2个,第一是减小前组产生的场曲,简单来说匹兹凡和完全由光焦度、折射率和光线高度决定,RF 85mm F1.2的第三组虽然有比较大的负光焦度,但因为位于最后,光线高度较小,因此它对系统总光焦度贡献不大,所产生的负匹兹凡值可以有效减小前两个正组的正匹兹凡值,从而校正场曲。

第二个功能则是再次扩束并收敛,让轴外出射光束与传感器平面之间的夹角尽量大,进而提高边缘像素量子效率,减少短镜后距引发的暗角问题,事实证明在关闭机内校正的情况下,RF 85mm F1.2的暗角确实比EF 85mm F1.2要更小一点点:


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上为RF,下为EF,差别确实只有一点点:


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整体来说,RF 85mm F1.2的核心设计理念就是大幅度地收敛像差,因此除了色差得到有效控制之外,F1.2全开的彗差像散也几乎消失,边缘区域依然可以保证高分辨率高锐度,也是扫一眼对比图就能明显看出提升的级别:


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上为RF,下为EF,明显前者反差和分辨率都更高,后者受辅轴球差导致的轴外像差影响,显得较为松散:


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当然,人像镜头的边缘九成都是虚化状态,而中心以及黄金分割点自不必多说,性能提升也是非常直观,刀锐奶化形容它并不为过。而且EOS R的卡口设计没有遮挡,EF 85mm F1.2(以及F1.4)在单反机身上会出现很明显的虚化光斑遮挡裁切:


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但转接到EOS R之后明显缓解,但极限边缘依然存在:


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事实上RF 85mm F1.2也有遮挡裁切,但要到更边缘的区域:


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显然,转接后的光斑效果更好,而且不难看出在EOS R上EF 85mm F1.2和RF 85mm F1.2全开口径蚀其实差不多,毕竟RF 85mm F1.2增加了镜片数量,即便前径增加了10mm也并不能缓解这个问题。

总体来说虚化效果在R机身上两者也算是差别不算特别明显,当然仔细分辨应该还是能够从色差上找到区别,下列背景虚化对比图大家可以盲猜一下谁是谁:


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转接的另一个好处就是EF 85mm F1.2配合EOS R的片上相位差对焦,速度有了质的提升,特别是1.40版固件增强了脸部和眼球跟踪效率,老镜头聊发少年狂,人像追焦成功率提升了不少。当然,还是比不上对焦结构更具优势的RF版,但显然转接让EF版有了更高的性能上限。

而RF 85mm F1.2增加的镜片也不可避免意味着T值下降,与EF 85mm F1.2相比下降了约1/3档,也就是相同光圈ISO的情况下,快门要慢1/3档。除此之外两者虽然都标定为85mm,实际焦距也有些出入,EF版更广,RF版则相对更窄,但这并不是什么新鲜事儿,因为本身商品化标定就是取个大概值,统一四舍五入一个焦段也方便用户记忆,小小的视差只有在以同透视位置拍摄相同角度时才会察觉,没什么实际影响,了解即可。


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那么看到最后你可能就要发问了,这镜头值不得值得入手呢?这个问题的答案需要设立几个前提,如果你是刚开始玩,而且入手的是RF系统,且打算好好拍人像,那显然值得入手,因为这可能会是统领未来很多年的大光圈人像镜头标杆,目前来看3000万像素带低通的EOS R反倒成了累赘,让人很期待明年或后年去低通的6000万像素Pro版,届时才是检验RF卡口镜头的最佳时刻(特别是50mm和85mm这两颗)。

如果你已经有EF版,那就又要分情况:A、需要在专业摄影图库晒图,需要打印大幅面照片(比如参加摄影比赛、影展、商业人像等等),或有拿摄影作品做电脑电视桌面壁纸的习惯,那么强烈建议升级,分辨率、锐度和像差抑制效果的提升在这些应用上会起到大大的加分作用;B、只是爱好人像摄影(比如喜欢逛漫展车展),主要用于网络分享,那你手里的EF卡口镜头无论原厂副厂,个人认为暂时都没有升级的必要,小幅面缩图输出后唯一有可能看出区别的就是极端对比条件下的色差,但一则这种情况并不算特别多,二则RAW后期去色差也能一定程度缓解这个问题,所以对于普通用户来说,从EF升级RF的意义主要是心理上的满足和心情上的愉悦,性能可能倒是其次……



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