技术详解:近似规格的镜头,价差从何而来?

2020-04-29 16:19:15 60点赞 128收藏 24评论

这个问题可能看起来很小白,比如同样是55mm F1.4手动头,为什么七工匠只要698,而蔡司OTUS却要27000多?可能听得到比较多的答案是“信仰充值”“蔡司性能更强”“用料设计有明显区别”等浅度不一的答案,但深入讨论的话你会发现这并不是一个简单的问题……

技术详解:近似规格的镜头,价差从何而来?

技术详解:近似规格的镜头,价差从何而来?

所谓“杀头生意有人做,亏本生意无人做”,定价的底线是保本,那么“本”包含什么?简单来说有设计、材料、制造、运输仓储、推广、运营、公关、售后等等,其中有很多环节可以通过更换产地的方式来降低人力成本,比如现在很多机身和镜头会从日本制造转移到我国或者泰国等,值得一提的是,蔡司虽然是德国品牌,但OTUS等民用级产品还是日本制造而非德国。

在得出总成本之后,还要结合产能来算出大致的摊销成本,简单来说就是出货量越大,单件成本就越低,显然蔡司、徕卡镜头出货量很难与佳能尼康索尼等一线品牌抗衡,所以在保证品质的前提下,它的价格注定也很难下得来,这也是产品越高端定价越高的核心因素之一,也是产品随出货量增加,价格可能会不断下降的原因。

得到单件成本后,最后的定价就要靠产品力说话了,所谓产品力,包含了质量、品牌效应、服务品质等方面,显然,产品力越强消费者黏性就越强,越有利于定高价,显然蔡司OTUS系列在产品力方面有着明显强于主流系列的优势,所以有定高价的资本,但消费者更关心的应该还是它究竟花了多少成本,对镜头行业而言高投入是否等同于高回报。

影响镜头成本的第一大要素就是光学设计,一般来说,光学设计的主要流程是:首先确定功能需求,比如基本型式、物像关系等等;第二步是使用理想光学系统进行可行性分析,对外形尺寸做初步推算;第三步是求初始解,得到初始结构;第四步是使用光学设计软件进行像差校正计算,比如用什么材料、面型曲率如何搭配、组间间隔多少、光阑位置在哪等等,这一步决定了系统性能的上限;第五步是工艺论证,比如零件外径余量多少,变焦镜头镜筒凸轮曲线间距、变化幅度等等。

因为光学设计是一个非常依赖经验的模拟工程,所以一般来说最初始解都会从参数相近的已有专利中选取并进行缩放、修改,以50mm镜头为例,非对称双高斯结构从1920年至今沿用了近百年历史,低到各种50mm F1.8mm,包括前面举例的七工匠55mm F1.4:

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高到徕卡NOCTILUX-M 50 mm F0.95,均能看到此结构的身影:

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利用现有成熟结构可以说是省心省力省成本,但问题在于数字成像对光学性能的细节要求越来越高,老结构虽然可以吃成本红利,上限却很难再拔高,特别是高分辨率时代的到来,对新结构的渴求愈发明显。

矛盾点正如前面所说,光学设计对设计师经验有很高的要求,在设计非常规系统时,就需要进行大量繁琐的高斯光学和三级像差计算来求各组元初始解,这是一个复杂的工作,也会造成研发时间的延长,但好在随着计算机性能的充足发展,现代镜头设计的计算工程基本都交由电脑完成,所以光学设计其实早就跑上了快车道,再加上无反时代解放了后组的设计空间,所以各家的高端镜头,特别是结构复杂度相对不高的定焦,基本都采用了全新设计,比如OTUS 55:

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佳能RF 50mm F1.2:

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以及“惊天动地”的尼康Z 58mm F0.95:

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其实还有很多,就不逐一举例了。虽然计算机解决了求解初始解的算力问题,但在使用如ZEMAX、CODE V等像差平衡优化软件时,依然需要非常多的人工干预来修改结构参数、权因子、像差目标值等,如果是变焦镜头就还要对多个参考焦距进行逐一计算并找到均衡点。总体而言,全新结构意味着从头开始的全新研发,人力物力时间成本都会明显增加。

用料是影响镜头成本的第二大因素,包含光学材料和机械材料,光学材料又包含材料品牌、用料数量、坯料类型、尺寸、加工方式、加工精度等方面,因目标值不同也有不同的良率,这些都会产生不同的成本。

比如最常见的低色散材料(ED、UD等),虽然玻璃厂的熔制频率很高,但其坯料成本也是普通材料的十数倍甚至数十倍,所以一般中低端产品很少有特殊镜片,并且不同原料厂和加工厂的成本还不一样,比如国产镜头更是主要以国产材料+国产加工为主,日本品牌的中低端镜头如果采用特殊镜片,往往也会选择相对低价的渠道。

而且在工艺上,加热退火、坯料取芯要考虑膨胀、气泡、析晶等影响良率的问题,结合两面的面型曲率进行模压/抛光,又要考虑面型精度公差等问题,进而导致成本的继续爬升。所以一般的材料工艺都是单工艺对单镜片,很少有复合工艺,因为这相当于把两个良率不高的项目叠加到一起,会导致成本的猛烈上增,但复合设计的优点是减少了镜片使用数量,利于小型化,代表作就是佳能RF 70-200mm F2.8里的那片UD+非球面复合:

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理论上应该是同时具备低色散+低软化点的氟磷酸盐材料,当然像FCD1这样的材料转移温度本身也比较低,方便做模压成型非球面,不会太浪费模具(毕竟碳化钨模芯的成本很高)。但显然这一片的良率也并不高,是其价格比其他两颗RF大三元要贵不少的原因之一。

而说到非球面工艺,大方面主要是模压和研磨两个类型,光学材料的模压工艺其实并不简单,针对不同的材料要有不同的模压温度、摩擦系数和模压速率,不过因为方便批量化操作,基本无需人工干预,所以单件成本相对低,在这里可以多说一句:手机镜组往往是全模压塑料非球面,因其尺寸很小、数量少所以成本相对低,并且依然可以获得非球面的性能优势,所以全非球面这一工艺逻辑并不稀奇。而模压工艺最大的问题是波前差相对较高,面型精度低,所以性能也是最低,但相对球面表面依然有性能优势。

非球面研磨工艺主要分为两类,其一是使用CNC数控磨轮和金刚石钻头来对材料表面进行抛光,这显然要比模压的精度高很多,波前差一般比模压非球面低20~50倍,但研磨工艺的效率要低不少,致使其成本上扬;其二是磁流变抛光,CNC数控抛光精度受制于磨轮和钻头尺寸,而磁流变抛光使用的是微米级的磁敏颗粒,比如羰基铁粉与纳米级抛光粉调和于基液中,在无磁场作用时为牛顿流体形态,在磁场作用下颗粒之间密集排列呈链状,进而用于高精度的抛光。

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根据实际测试数据,磁流变抛光元件的点扩散函数与理想点扩散函数之比(斯特涅尔判据)在可见光范围内都超过了0.9,因此可以认为此元件性能仅受限于衍射极限(大于0.8),从数据表现来看远超其它工艺,是目前的最佳工艺。不过考虑到成本和实用性的关系,大多数民用摄影镜头研磨依然以CNC数控机抛光为主。

在镜组越来越复杂的大前提下,镀膜也非常关键,膜的设计无论是多层结构相消干涉还是微细结构利用间距和高度差来进行减反,都已算是比较成熟基本,而宽谱增透镀膜技术无论蒸镀还是电子束沉积也都发展多年,现阶段镀膜技术的进步主要还是在膜的耐用性等方面,对整体成本的影响相对不大。

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而机械设计上,镜筒有几层,用什么材料,对焦/变焦复杂度和马达数量、类型、布局,电子设计归置与布线,各种细节既会影响功能性能,也会影响成本,比如尼康Z 58mm F0.95为什么那么大一坨?为校正像差而做的大尺寸复杂新型设计对镜筒和接口强度要求大幅提升,同时几乎整组电动对焦也迫使它必须上高扭矩对焦马达(而且是在舍弃自动对焦的前提下),再加上本身就是图腾级的定位,各种用料都是满配往上堆,自然是性能、价格、体型的三*级。

对镜头成本产生影响的第二大原因是装配,而在装配中对成本贡献最大的是定心,所谓定心,是指所有透镜的光轴和镜筒中心轴都能按设计图纸归一化,所以其实在装配前就有2个先决条件,首先镜片本身的光轴误差要很小,其次镜筒加工也要足够精确。

大多数民用镜头采用定心不可控的装配方式,也就是镜片-隔圈-镜片-隔圈……依次放入,最后在压圈固定,并通过光机界面来自定心。之所以称之为不可控装配,就是因为它需要依赖镜片边缘余量和镜筒内壁的公差来固定位置,这显然是在装配时人力无法控制和判断的。而这种装配方式最直观,出现错误也比较好拆卸维护,所以效率最高,成本最低,但会导致镜头光学素质公差较大,且环境适应性较差。

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而高端镜头,尤其是价格相当高昂的产品线,会采用可控定心装配方案,简单来说,第一步,先对镜筒进行精加工,在回转台上对每一个光机界面都放打表测试加工精度,以保证界面具备高平整度;第二步,将镜筒中心轴与回转台旋转轴对心;第三步,装第一片镜片,通过定心仪对加装的镜片进行定心调整;第四步,胶粘固定镜片,一般分两步,胶粘剂总固化时长超12小时。然后每一片镜片都重复第三与第四步骤,直到完成装配。

不难发现,这种装配方式不仅每个步骤都可控,而且精度非常高、耐用性也很强,但缺点也十分明显:效率低下、装配不容有误,从而成本高昂,不少高端电影镜头会采用这种装配方式。

当然也有稍微降低一点标准的可控定心装配方式,就是把每一片镜片都先加装在独立的镜座上,再通过定心仪定心并粘胶固定,这样的好处是所有镜片可以同时加工而不用一片一片的装,大大节省了等待粘胶固化的时间,待所有镜片都粘好后再加工镜座外沿,最后装入镜筒中,这种装配在高端镜头中也不少见:

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追求性能极限的复杂设计、不计成本的质量控制再加上最高精度的装配,得到的自然是令人瞠目结舌的性能和价格,几年前的蔡司OTUS系列虽然绝对规格没有那么生猛,比如光圈不是特别巨大,但至今依然是天花板级别的性能。而像佳能RF 50/85等也是类似的思路,同时镜头领域还有一个比较独特的特点就是可替换空间小:A品牌的镜头再好B品牌机身也用不了,索尼用户眼馋佳能RF镜头就只能连机身一起换,但很多人又非常嫌弃佳能R系列机身,所以对用户来说真正有用的镜头对比往往是原厂VS副厂,这时候大家往往会产生另一个疑问:为什么大多数情况下,副厂可以比原厂便宜那么多?

之所以强调“大多数情况”,是因为某些设计规格达到一定程度的副厂型号,除了本身成本就更高之外,厂商对产品力也很有信心,所以价格并不比原厂类似规格的便宜,比如适马50ART就比尼康AF-S 50mm F1.4G贵不少。基本上所有副厂都秉承与原厂错位竞争的概念,这其实也算是日本企业竞争的一大特色了,错位指的是规格与价格等方面。副厂因为是“庶出”的关系,所以一直姿态都比较低(毕竟受制于原厂卡口开放政策),而佳能、尼康、索尼等传统影像大厂的营销推广、运营、线下服务成本远大于各大副厂,这些成本当然都要摊到终端产品上,而副厂的基本策略是调整配置、降低利润或出一些原厂没有的规格,比如腾龙近期就主打轻巧F2.8小微距系列,来博取原厂留下的剩余空间。

在单反时代因为原厂镜头很多都有十几甚至二十多年的历史,可谓“年事已高”,所以副厂的后辈型号在价格更便宜的情况下,性能往往也有一定优势,比如适马ART系列定焦基本上就能把佳能EF系列的老大爷们摁在地上摩擦:

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可消费者不一定都这么理性,毕竟从商业角度来说,营销推广的作用就是树立消费者信心,如果副厂出一个与原规格和价格近似的产品,大多数消费者就会产生“我为什么不买原厂来原汤化原食?”的疑惑。所以,原厂对自家经典系列产品力有充足信心,而且对渠道把控更加强力,有底气不让利,在这方面副厂要相对“放任”一些,基本上都会随保有量的增加而不断降价,所以就有“副厂不保值”这样的说法,而保值在摄影圈是一个很受欢迎的特性,也是原厂价格持续在高位的理由之一。

事实上近年来副厂的思路也产生了一些变化,倾向于比原厂更先一步,或同步推出了一些处于主力焦段,但仍有市场空白的高规格型号,比如40mm F1.4、35mm F1.2、105mm F1.4等,其中不少都有相当强悍的性能,也正因产品力的上扬,所以价格也相对有所提升,但仍控制在消费者对副厂的认知范围内。与此同时,副厂也开始在原厂不太在意的主力出货市场发力,比如适马为索尼E/EOS M卡口推出的16/30/56三剑客,尤其是30mm F1.4,京东自营评价量已接近2万,作为一款只有4年历史的产品,这销量已算是相当出色。

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综合来说,镜头的定价是一件八面玲珑的事情,对于新镜头来说“高价=高性能”的大趋势没错,但也并非铁律。而且当性能达到一定高度的时候,通过刃边测试虽然可以看到数值的差距,但对目视观感的影响已经相当微小,大家可能看到很多测试都要放大到200%甚至更大再去对照比较。因此,现代镜头需要搭配更高分辨率的成像系统才能让这些优势有意义,这就是为什么新机型无论静态还是动态规格都在不断往高分辨率发力的根本原因之一。

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