分辨率天花板?聊聊大光圈标准镜头光学设计

2019-06-16 18:30:00 23点赞 38收藏 11评论

标头反望远设计的历史到今年也不过6个年头,首创者蔡司Otus 55从光学角度的各个方面来看都依然牢牢坐稳第一把交椅,从目前的光学材料进步速度来看,我认为未来几十年内包括蔡司自己都没有办法再突破这个由它亲手打造的天花板。但好在这个天花板实在是够高,;;留足了空间让其他品牌做新设计竞争,典型的产品有适马50ART、索尼55mm F1.8、佳能RF50等等,而且毫无疑问这些镜头相对双高斯来说都有着相当大幅度的性能提升,而且当索尼55mm F1.8这种乍一看很“小痰盂”规格的镜头也要小5000时,大家就应该清楚一个事实:性能与堆料在设计合理的情况下往往是正比关系,而不要被最简单的纸面规格所迷惑。


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而今天我想跟大家聊的是适马40mm F1.4 ART,而聊它就必然绕不开与它非常接近的50mm F1.4 ART,虽然明显它们不存在替代关系,但从设计来说,两者却有相当多的类似之处,甚至可以说40mm F1.4 ART是踩在50mm F1.4 ART经验之上的作品。

先看50mm F1.4 ART,相信使用它的朋友应该有很多,而它的问题是:


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1、第一片第二面和第二片第一面曲率半径接近,容易产生眩光。

2、第三组的三胶合设计就目前来看已经不算合理,夹在中间的负镜光轴位置厚度很薄,两次粘胶的应力很容易导致面型变化,影响良品率。

3、体型较为庞大,而且从结果来看色差控制相对一般。

而接着再看40mm F1.4 ART,会发现它针对上述问题既有改进,但也有更“丧心病狂”的突破:


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1、两者的后组都是非对称双高斯,细节用料不太一样,但都是反望远起头。40mm F1.4 ART没有了近似曲面半径的邻接面,顺带就降低了对增透膜的要求,也没有三胶合,设计思路明显更成熟,但不少胶合组的负镜中心依然存在厚度偏薄的问题,但毕竟是单次粘胶,相对要稳妥一点。

2、仔细看前组,不难发现40mm F1.4 ART在这里就会产生2次光路转折,再加上第六片低色散镜片的第二面是一个小曲率半径设计,以及第二三片直接上了FLD(也就是低折射低色散高异常分散的人造萤石),所以很明显,这是一颗适马铆足全力要追高分辨率的镜头。

后组结构面对的光线行程相对缓和一点,适马为它的2个连续正负胶合组奉上了SLD和FLD,其实如果这里采用垂轴像差异号的对称型结构,可能更符合追求极限分辨率的设计目标,没有这么设计的原因我猜测是因为适马缺乏像佳能BR那样的短波长高折射技术,没有办法在后端做轴向色差的校正,而且现有结构的性能已经达到设计目的了。

收尾的位置又在继续上了一块SLD,最末则是非球面镜片,适马ART定焦常见这个设计,不过我觉得如果能在前面用非球面效果会更好,当然价格会再涨一截,而且如果单纯只看消球差,只要牌号和面型选择合理,球面透镜也能很大程度解决这个问题。

事实上,适马40mm F1.4 ART的光学结构与自家40mm T1.5 FF电影镜头一模一样(其实50ART和50mm T1.5 FF也是如此):


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换言之这是一颗电影镜头设计完全下放的产物,要知道40mm T1.5 FF的售价(3499美元)是足足是40mm F1.4 ART(1399美元)的2.5倍,当然两者在配套功能设计上完全不同。而目前有相当部分的民用镜头已经触及到了电影镜头的设计,高性能民用镜头进入到电影领域也并不稀奇,比如蔡司Otus系列就因其像场覆盖大,综合素质强,价格相对便宜而应用在不少电影项目当中。


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从官方的镜头MTF来看,适马40mm F1.4 ART可以说是相当彪悍的存在,不仅把设计思路近似的佳能35mm F1.4 II踩在脚下,与Otus 55mm几乎是齐头并进甚至表现更为出色,真香。

在测试前,大家要知道几个小知识点:官方MTF自动设计阶段的目标值,实际值往往会因为冷加工、装配等存在偏差(可能更好也可能更坏,所以严格来说每次都算在抽奖),而且MTF远不止厂商宣传里给到的这一种表达式,回头有时间的时候再专门就MTF来写一写吧,感觉很多人对它都有深深的误解。

而且最终的输出MTF要级联传感器的分辨率来进行考量,以8688x5792的5DS为例,单个像素宽度为4.14微米,而在设计镜头时会以1000/(4x4.14)=60lp/mm作为极限评价条件,这是因为奈奎斯特采样频率仅仅2倍对大多数情况而言是不够的,所以提高到4倍,换算为更常见的LW/PH,也就是传感器纵向可辨别的线条总数,就是2x60x24=2880LW/PH(即便是放宽松一点,3500LW/PH也已经几乎到顶),超过这个值就意味着超出了传感器的性能范畴,需要更高像素密度或更大传感器尺寸来解决。顺带一说,即便是看可见光谱的长波端,现有相机传感器像素密度也远远没有达到光学衍射极限,而相当多的非微距定焦镜头设计像场也比实际应用要大不少,所以做更大画幅和更多像素是非常有意义的事情。


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适马40mm F1.4 ART在5DSR上光圈全开,中心部分MTF50(也就是经镜头传递后对比度保留50%)截止频率都可以突破2600LW/PH,收到F2.8可以达到3400LW/PH,甚至极限边缘都能冲到快2700LW/PH,可以说即便5000万像素的5DSR也已经几乎快成为适马40mm F1.4 ART的瓶颈……好在它的像场能够覆盖44x33画幅,换言之它可以转接到1亿像素GFX100上,组建原生卡口不可能出现的31.2mm F1.1,充分发挥焦内高分辨率和更暴力的同构图焦外虚化……

上个实拍图吧,对比一下以高分辨率而著称的移轴TS-E 50mm F2.8,为了免得说欺负人,所以把光圈收到F5.6进行拍摄:


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左图为TS-E 50mm F2.8,右图为40mm F1,4 ART,均为像场中心,在F5.6时后者的反差和分辨率都要略高一点点

顺带一说,看到部分与M43利益相关的人说M43镜头分辨率比全画幅更高,但实际上:


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先看6999的奥巴45mm F1.2对比5499的适马85ART,注意:后者要用红色竖线左侧的数据来进行对比,胜负应该是一眼便知。


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接着看6599的奥巴25mm F1.2对比4399的适马50ART,中心部分明显是适马胜出,边缘各有胜负,但奥巴有明显的像散。


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最后看6799的奥巴17mm F1.2对比4699的适马35ART,中心依然是适马胜,但奥林巴斯整体要更平顺一些。

整个对比下来不难发现即便是M43最强级别的3颗定焦镜头,也打不过等效焦距对应的全画幅适马ART系列,即便是2040万像素的M43换算为LW/PH后上限也不到2000,而且价格更贵、虚化/信噪比更差……所以M43无论镜头还是系统输出分辨率都不可能超过同时代的更大画幅机身,轻便才是它唯一的相对优势(至于现有的视频功能优势,其实也只是厂商愿不愿意下放而已,松下S1H就是个好例子)。


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回到40mm F1.4 ART,谈适马镜头最无法避免的话题就是对焦精度,而单反对焦的先天结构就限制了它在F1.4这个级别的光圈上即便是中心点,也很难做到十全十美,哪怕我用来测试的是佳能对焦最强的1DX2,也有一定几率出现对焦不实的问题。事实上适马40mm F1.4 ART目前的最佳舞台还是在无反上,虽然目前它的E卡口版本还没开卖只能通过转接来实现,我将它用佳能原厂转接环转接到EOS R,一切功能都可正常使用,对焦,特别是主题偏离中心部分的对焦精度更是有着明显的提升,可以对比极限边缘1DX2和转接EOS R后的区别:


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首先很明显,无反的片上相位差对焦覆盖面积比单反独立相位差模块更大,两者各自的极限边缘位置有着本质的区别。

其次,对于这种相对弱光,对焦主体又缺乏反差的环境,单反会很犹豫,并且有较大几率对焦失败:


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无反则要坚决许多,并且准确度更高:


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当然,自70D以后的佳能单反在实施取景模式下都能使用片上相位差,实现与自家无反近似的精度,但这显然有点本末倒置的意思……

配合人脸和眼部识别追焦功能,并开启自动ISO,40mm F1.4 ART+EOS R在大多数环境下的人像出片率都相当高,上脚架拍摄静止物体测试也没有出现跑焦的问题。而在我手里大多数F1.2、F1.4光圈镜头无论是单反版转接还是无反原生卡口,在EOS R上的自动对焦精度都非常高,即便是理论上会受渐晕影响的极限边缘区域,连续自动对焦工作表现都很靠谱。

作为一颗F1.4大光圈镜头,虚化效果显然也是考察重点,而虚化基本只看3点:光圈叶片和口径蚀形成的光斑形状、轴向色差产生的光斑边缘色环、非球面波前光程差导致的洋葱圈。先看中心部分的光斑吧:


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很明显,全开的40mm F1.4 ART光斑很圆,亮度分布均匀,说明球差校正还不错,有非常轻微的洋葱圈和轴向色差,素质比较高,想要在视觉效果上明显比它更柔顺就只有上STF了,这也是我很期待RF85DS的原因……接下来看边缘光斑:


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可以看到因球差的关系,导致亮度有呈边缘集中的现象,而且口径蚀还是挺明显。这里可以简单说一说,口径蚀的产生是因为轴外物点发出的光束受远离光圈的光孔所阻拦,无法全部通过系统的现象,而这个光孔被称为渐晕光阑,它与光圈的相对位置越远就越容易产生口径蚀,而且对于摄影镜头来说往往有2个渐晕光阑,一个挡上光线,一个挡下光线。所以单纯把前组做大并不意味着口径蚀就会变小,也不要把口径蚀变小单纯归功于大口径前组,必须从整体设计谈起,在入瞳和视场都比较大的时候,口径蚀是不可能完全校正的,而且拦截具备更大像差的轴外光束对成像素质的提升意义更大。虽然也导致暗角,需要靠强吃传感器底噪来机内校正):


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EF卡口边缘光斑切边现象依旧,不过这镜头即便RAW输出暗角也并不大,哪怕动态范围表现不那么好的佳能机身也吃得下来,接下来研究一下40mm F1.4 ART其他像差的表现吧,首先是色差:


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高光比100%放大,可能是认识到50ART消色差做得太收敛,所以这次堆料下手更狠的40ART表现要强很多,不仅焦内基本没有倍率色差,焦外的轴向色差也很难察觉(即便是5DSR,色差宽度也可以控制在2个像素以内,恐怖如斯),而且即便是F1.4全开的轴外边缘区域也是如此,可以说校正得非常完全。

然后是彗差和像散:


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F1.4全开,极限边缘有一点彗差的踪迹,但幅度非常小,对成像影响可以忽略不计……场曲和畸变也几乎没有,40mm F1.4 ART这颗镜头的像差校正可以说是目前毫无疑问的顶级。

当然,它也有一些不足,首先是眩光略明显,毕竟它足足有16片镜片,现有镀膜就算再强大,针对斜射光线也比较无力:


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其次是体型庞大,一颗40mm F1.4镜头体重达到了1.2kg,滤镜达到了82mm,但这种重型设计的结果大家已经看到了……总会听到有人开玩笑说适马健身,但事实上在全画幅无反时代,所有品牌的设计都会把大型化设计作为其中一个重要方向去发展,至少从光学角度来看是有尝到甜头,也符合相机产品重回专业化路线的定位。

总的来说,适马40ART是一颗实力相当突出的标准镜头,有着与蔡司Otus一较高下的性能,它的设计可以说是现有优秀思路的集大成者,最重要的是没有传统印象里副厂镜头的各种毛病,在原生卡口或转接无反上都能充分发挥性能,还是那句话:确实很香!


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