从对焦结构到光学设计,一次关于微距镜头的畅聊

2019-06-27 09:52:36 35点赞 135收藏 26评论

在摄影圈有句老话叫“微距无弱旅”,因为微距镜头放大倍率高,有高锐度和高分辨率的特质,性能很容易直观体现,口碑一贯出色。也正因看中这一点,像老蛙等国产镜头品牌早早就把工作重心放到了微距镜头上,推出了各种花样百出的微距镜头,直到最近才回到初心,发布了FF 100MM F2.8 CA-Dreamer Macro 2X,而这是一颗相当有意思的镜头,从它身上可以延伸出很多关于微距镜头设计方面的小话题。


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老规矩,先聊结构设计,微距本身是增大成像放大倍率,而放大倍率=像距/焦距-1,所以再本质一点看,微距摄影就是把镜头后主面往前推来增大像距(也顺道解释了为什么对焦距离越短,视场角越小),所以最直观的方式就是镜头前组/整组往前移,老蛙包括100mm F2.8、60mm F2.8甚至25mm F2.8等等几乎所有的微距镜头都采用了这个设计逻辑,可以看到无限远处对焦时所有镜片都退到了紧靠镜尾的位置:


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而往微距对焦时,前组会率先开始往前移动,到1:4倍率时后组也跟着往前走,到2倍时整个镜组达到最前位置:


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所以最好是给老蛙百微配一个滤镜,让它变成“内对焦”,而这种设计最大的好处就是像距移动空间可以做到最大,更容易做高放大倍率,所以老蛙百微达到了2倍(类似的有1倍放大的适马70ART,但它是内镜筒直接伸出来的设计)。与之对比,体型跟它很接近的佳能百微只能到1倍,而它采用的是内对焦形式(事实上尼康、索尼、适马等品牌近似焦段微距镜头也都是如此),对焦变化可以参考下面的示意图:


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顺道一说:其实老蛙并不是没有内对焦设计的100mm微距镜头方案(1倍放大),只是在最终产品上没有选择它,应该也是内部权衡评判后的结果吧。从上图可以看到内对焦和移动前组/整组不同的地方在于,内对焦时是拉近浮动对焦镜组距离(除了中间组收拢之外,也有整个后组向前移动的类型)以实现放大倍率的增加,而移动前组/整组则是推远镜组间的距离(也有全部镜组往前移的类型)。产生这种不同的光学原理推导略复杂,就不在这里进行了,大家知道这个本质区别就行。而两者还会导致一个潜在区别是随着放大倍率的增加,系统焦距的变化趋势也会不同,对于复合透镜系统的焦距,比较简单的方法是正切计算法:


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f是复合镜组焦距,f1和f2分别代表两个镜片(组)的焦距,d则是它们之间的主面间隔,在对焦到近处时,移动前组/整组对焦结构d值逐渐增大,此时复合系统焦距会随之变大,而内对焦结构则与之相反,对焦到近处时系统焦距会变短,当然,请记住这是简化计算法(截距计算法相对会更准确一点,但因为涉及到对每一个光组都要用高斯公式和过渡公式求像距和物距,所以略为复杂),而且镜头透镜位移大多数情况下不会是单调形式,在设计时往往会让这个变化的幅度收敛得比较小。

内对焦同样实现了像距放大的同时,因为最前与最后组位置固定,更容易做高防尘防滴性能,机械设计也相对更从容。而且移动前组/整组对焦会带来一些设计难点,比如是呼吸效应更难以校正。呼吸效应的本质是固定机位对固定位置的物所成的像,会随物镜位置变化而引发像高差。当往近处对焦时,前组/整组往前推,此就时需要增加视场角,也就是缩小焦距来补偿像高,使其一直保持相同的高度,但前面我们已经推导了移动前组/整组对焦结构在这种情况下会增大焦距,所以需要引入更复杂的结构来进行修正。但考虑到成本和应用需求,民用镜头几乎不会去做呼吸效应的校正,就简单对比一下佳能百微和老蛙百微吧:


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上图为对着显示器拍摄的1倍放大时样张,注意看此时照片能够铺满整个像场,然后固定机位,将对焦环往远处拧到1:4放大的位置:


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参考照片的左右上下位置,可以看出老蛙百微(上图)所成的焦外像比佳能百微(下图)来得更小,说明相同放大倍率变化时,老蛙百微呼吸效应更加明显。但说实话,这其实也是五十步笑一百步的差距而已……


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无论采用哪种结构,单单看微距摄影这个主题来说,呼吸效应什么的倒是没什么影响,而且老蛙百微在2倍时的有效光圈,与同为2倍放大的自家60mm F2.8微距相比要高出接近1档,相同曝光组合下这个差别可以明显呈现:


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有效光圈的基本概念来自几何光学,标称光圈的标定是在镜头处于无限远处对焦,也就是光线平行入射、放大倍率为0时,但现实成像必然存在一定的放大倍率,最终有效用于成像的光圈也必然比标准光圈更小,它们之间的关系为:


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Fe为有效光圈,Fl为标称光圈,m为放大倍率,P为出瞳孔径/入瞳孔径。对于大多常规镜头来说,因为m值很小,大多都在0.3以内,因此有效光圈引发的曝光组合或亮度变化很难察觉。但微距则不同,比如老蛙百微的m值可以达到2,这意味着有效光圈的变化会相当显著。而可以看到这一算式里,唯一可通过设计来调整的就只有出瞳入瞳比,而且这个值必须做得尽量大,才能让有效光圈更大,当然,这个公式主要适用于移动整组对焦的类型,部分对焦或内对焦的情况会比这个复杂不少,用来参考理解即可,比较直观的对比就是作为照明中心的出瞳孔,在位于最近对焦位置时比位于无限远处时孔径更小,光强度随之降低:


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上图为无限远处时,下图为最大倍率时,注意,出瞳孔大小的直观对比仅适用于同一颗镜头在不同焦距或对焦位置时,不能跨镜头对比,大家可以自行观察,比如恒定光圈变焦镜头在不同焦段时出瞳孔径会保持一致。


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除此之外镜头输出亮度还要受制于透过率,这与镀膜、消光、不同介质界面数量甚至材料厚度都息息相关,在这种情况下老蛙百微还能有更高的亮度,可见在设计上还是花了一些心思。


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100%放大时的细节确实没得说,全画幅大像场做2倍物镜且从中心到边缘的锐度和分辨率表现都还挺不错,确实是“微距无弱旅”,也可以说是放大倍率“大一级压死人”……不过既然前面提到了镀膜,老蛙百微最大的一个问题就是它的眩光很严重:


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可以看到出现了很明显的光晕,而这个问题的症结并不完全是因为镜片镀膜(当然,目前的国产镀膜性能确实是稍显落后),主要是镜筒内消光设计存在缺陷,将镜头对着光源并从后端观察,不难发现佳能百微的内部反光很少:


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而同样的角度,老蛙百微就非常明显,一眼可见的区别:


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事实上这也是整组移动对焦的缺点之一,因为内镜筒需要大幅度前后移动,而内外镜筒又需要紧密贴合来做防尘,所以内壁就只能做光滑设计,自然无法很好的消光(内镜筒直接伸出的设计可以一定程度避免这个问题,但看起来总觉得有点不舒服),再加上老蛙百微镜片多、镜筒长,解决难度有点大,需要在材料上花点成本,其实这也算是原厂更贵的原因之一。


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接下来具体说说老蛙百微的光学设计,主要的看点是复消色差,一般的消色差系统是选择两种色光,让它们具备相同的放大倍率(消除倍率色差)和像点重合(消除轴向色差),但对于照相机系统来说不可能只拍摄两个色光,必须引入更多波长,特别是对中间色光的偏离进行校正,而这种针对三种色光校正色差的系统就叫复消色差系统。

以前曾提到过,复消色差的基本形式是使用异常分散值较高的玻璃,比如萤石,来做镜组,而目前也已经有很多光学常数与萤石接近的材料,虽然成本也不低(日本厂商的每磅价格约在155~180美元之间),但效果确实是实实在在。当然国产镜头一般也会用国产材料,价格要低不少。老蛙百微使用了2片ED,虽然没有资料,但很高几率是国产氟冕材料,而且位置都在中前端,结合胶合设计,光路设计倒也算是规规矩矩。

这里还可以顺道一说,国产大光圈镜头喜欢把镧系玻璃作为特殊镜片来标示,因为它有高折射低色散的特点,但镧系玻璃我听很多人都说它“容易发黄”,这是一个明显的曲解。黄染是所有高折射率材料的共同倾向(想想菲涅尔反射公式吧),而镧系基本都是做镧火石,正好属于这一类,但事实上在折射率较高时加入镧系材料会让短波长透过率更高,反倒没有其他材料的火石玻璃那么容易发黄。导致其他火石玻璃黄染更主要原因是环保玻璃用钛等材料来替代铅,使得短波长透过率明显下降,比如重火石玻璃里同牌号的非环保与环保版染色值就有着明显的差别。当然,这也并不是绝对定律,有的环保玻璃染色值反而更低,而且环保玻璃比重明显更低,更有利于轻型化,属于优大于劣的大方向。事实上镧火石真正的问题是会减小复合系统的异常分散值,让消色差变得更麻烦。

回到老蛙百微,复消色差设计让它的中心区域色差控制相当优秀,在1倍放大的情况下,可以直接与佳能百微对比:


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不难发现佳能百微(右图)的轴向色差更加明显,远景虚化呈红色色环,近景则是呈绿色,老蛙百微素质更高。不过需要注意的是,色差表现与光强度息息相关,在拍摄高反光物体,比如金属时,高光位置老蛙百微也依然会出现轴向和倍率色差:


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而且包括复消色差在内,像差校正都是按部分带光来计算,在整个像场内并不均匀,尤其在比较边缘的区域,老蛙百微(下图左)和佳能百微(下图右)都会出现明显可见的轴向色差:


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注意,以上测试基于最大光圈F2.8,而微距摄影因景深的关系基本都会使用F8以后的小光圈,这时候入射光柱较为劣质的边缘区域被遮挡,只留下近轴区域的主光线,从而减少了色差等像差的发生,所以老蛙百微在实际微距拍摄中的色差控制是很不错的。

老蛙百微与其他单反卡口微距镜头不同的是,佳能卡口版用上了触点,可以通过机身来控制光圈并传输EXIF信息,既能减少拍摄时的误操作,比如不小心碰到光圈环(不注意的话还真不容易察觉)。同时还能让它可以最大光圈进行取景和对焦,环境光不太强的时候取景器不再是黑漆漆的,这个进步可以有!

实拍对比同为2倍放大时,可见此时60mm与100mm视角差非常小:


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但长焦的优势是对焦距离更远(24.7cm>18.5cm),工作距离也是如此(7.8cm>4.6cm),更利于布光且拍摄动物时不容易惊扰。要注意关于距离有几个不同的概念,首先是工作距离,基本可以理解为镜头前端到物体的距离,主要应用在不可更换镜头的相机上。而可换镜头相机一般是标注对焦距离,这是指物体到焦平面的距离。大家熟悉的物距就是光学概念了,它指的是从镜头前主面和物体之间的距离,但现代镜头不会把主面标出来(而且它也会随变焦与对焦产生位置变化),所以了解区别即可,不用深究。

两者有一个比较大的区别是老蛙百微的畸变控制远远强于60微,后者在有着非常明显的枕形畸变,一眼就能看出区别:


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畸变因为只是让像产生变形而不影响像的清晰度,所以目前主要是通过光学设计+图像处理双重校正,而且有越来越依赖于后者的趋势,但显然,原厂或大牌副厂才有影响力将算法做到机内或让Adobe预设,所以老蛙60微的畸变只能自己手动调,稍微麻烦一点,畸变很小百微在这方面要方便很多。

除此之外,虚化也是百微这个级别的镜头很值得一聊的话题,因为100mm F2.8拍人像还是能打一打的,老蛙百微的虚化光斑形态还不错,亮度分布很均匀,不过存在一定程度的口径蚀:


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有意思的是这颗镜头不同版本还有不同数量的光圈叶片,尼康口7片,佳能口9片,索尼口多达13片……而且在我还算没用特别久的情况下,也能清楚看到内部出现了积灰,滤镜还是非常有必要!


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实拍焦外柔和程度还是一般,但因为是兼用于人像,所以就不吹毛求疵了。接下来说说操控吧,老蛙百微可以从无限远到2倍放大全范围对焦,行程适中,转接EOS R后上脚架结合峰值对焦微调很简单,单反光学取景器对焦稍稍需要一点经验,当然最好也是用实时取景。


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没有自动对焦其实对微距镜头来说并不算问题,手动微调精度更高,只是相对原厂和适马等大牌副厂,老蛙百微缺少了防抖,再加上它的放大倍率有2倍,如果要手持拍摄的话,对环境亮度的要求相对就高了不少。当然,微距镜头因为放大倍率高,光学防抖设计的电子部分理论上需要重做,难度相对比较大,从产品定位来说并不符合初衷,毕竟老蛙百微的还不到3000块,原厂多在近6000 的价位上。而价格上它最直接的竞争对手是适马105mm F2.8 EX DG OS HSM MACRO,有自动对焦、有光学防抖,并且价格还更便宜(其实七八年前刚发布的时候也是五六千元级),与原厂同思路的内对焦设计,但最大也是最关键的相对不足就是只能做到1倍放大。

目前来看可做到2倍放大倍率且能够在无限远处对焦的镜头非常少,原厂和老牌副厂几乎不会出,可以说老蛙在小众门类的极致规格上确实花了不少心思,这款FF 100MM F2.8 CA-Dreamer Macro 2X作为功能型镜头,在它最擅长的领域可以说是目前暂时还找不到替代的选择,确实很有意思。

 

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