均衡>性能,民用超长焦变焦镜头设计解析

2020-12-29 15:44:10 30点赞 65收藏 27评论

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关于500mm以上的长焦镜头其实一直想要开篇文章好好聊一聊,适逢入手了RF 100-500mm F4.5-7.1,不妨就以它为例,来谈谈这种大变焦超长焦镜头的设计思路吧。

一般来说,光学镜头的变焦设计按补偿方式不同有着如下几个分类:光学补偿、机械补偿、双组联动、全动等设计,超长焦镜头的主要应用还是在工业和军用领域,且往往采用结构简单、成像质量上限很高且动辄十几二十倍变焦比的机械补偿设计,这种设计简单来说就是前后组固定,由中间的变倍组合补偿组进行曲线移动以实现恒定像面下的焦距连续变化,比较典型的就是广播电视系统里常见的箱式镜头,甚至可以实现8-1000mm F1.8-5这种相当“疯狂”的规格,实际产品如下图:

均衡>性能,民用超长焦变焦镜头设计解析

但显然,这种设计的前提是基本固定位置使用,所以可以完全不在意体型。正常情况下应该没有摄影师会推着这种口径逾200mm、长度超半米,体重达50多斤的大家伙登高望远,而且这家伙像高大多仅覆盖2/3英寸画幅,与我们熟悉的APS-C、全画幅相去甚远,考虑到画幅越大对像差校正的要求也越高,平移到民用摄影的可能性为零。

因此,民用超长焦镜头的设计严格来说就是基于实际限制下的妥协,所以变焦方式的设计往往都是复合型,而且在无反时代有一个最重要的要求就是相对的小型化,考虑到长焦端达到了500mm以上,这就意味着光圈不可能做到太大,所以对应这类镜头,需要一个传感器性能相对强力的机身来进行增益补偿,目前来看就佳能自家来说,R5/R6都算是可以达到基准线,RP等老机身就建议在照度较高的情况下使用。不过500mm F7.1虽然速度慢,但也意味着入瞳不过70mm出头,可以轻松地用上大家喜闻乐见的77mm滤镜,自带脚架环的情况下也才3斤左右,诸君都是习武之人,这点重量应该是so easy。

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事实上在无反镜头轻量化的尝试上,佳能的胆子确实比较大,600mm和800mm分别推出一颗F11的定焦来试水就是很好的证明,而且这两颗镜头都是完全由光学衍射元件挑大梁,结构很简单,几乎就是一个基础的望远设计再加上光学防抖单元,甚至还用上了沉胴式机身来缩小维度,这样一来,600mm那颗只有900来克,800mm也不过1200来克,体型优势十分明显,但极慢的速度也意味着只有联动R5/R6的机身防抖才具备相对合理的适应性,可以说是现有轻量化超长焦镜头的走极端走得最彻底的型号,几乎找不出第三个。

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所以说如果单纯要轻,其实方法有很多,但如何兼顾轻和好却要下一番功夫,回到100-500mm F4.5-7.1,这颗镜头基本可以定义为佳能无反产品线中的“大白”,也就是在整个RF超长焦变焦产品线上,它可能是唯一挑大梁的存在,更进一步就可能要牺牲体型并大幅提高预算了。比起EF卡口的大白,它多出了100mm的焦距,但其实也没什么好雀跃的,因为和400mm相比视角上也就是1度左右的差别而已:

上图为500mm,下图为400mm,在近拍的情况下或许也很难想象它们之间相差100mm:

均衡>性能,民用超长焦变焦镜头设计解析

作为对比,70mm和100mm的视角差有10度,所以看上去多了足足100mm,但实际上并不会给你明显的感觉。

不过,这颗镜头的设计还是有不少新鲜之处,其中有一些变化也有很多朋友私信问过我,比如,包括这颗镜头在内的长焦镜头为什么现在都不流行使用环形超声波马达驱动对焦,而选择了似乎看起来低人一等的微型超声波甚至线性马达,这算不算是减配?

我的答案是:不算。对焦马达的选择要与镜头的综合设计相匹配,环形超声波马达的最大的优势是扭矩大且启停极快,这意味着它适合推动大尺寸的对焦单元,但相对的,环形超声波马达的体积和重量都比较大,而且需要直径较大的系统才能更好地适配,这对于一般采用单个大镜组作为对焦单元的传统设计来说比较适用。但现代长焦镜头往往采用由少量小尺寸镜片组成的主对焦+浮动辅助对焦两个镜组来实现对焦,这意味着既不需要特别大的扭矩,同时也要两组对焦马达,所以,环形超声波马达在这个大前提下没有优势,反倒是定子转子整合度更高的微型超声波马达甚至线性马达更能兼具小体型和高性能需求。

均衡>性能,民用超长焦变焦镜头设计解析

以RF 100-500mm F4.5-7.1为例,它的主对焦镜是上图标注的第6组,从无限远到近距离对焦时应该是由物侧向像侧移动,而第4组是浮动辅助对焦单元,它的运动方向与第6组相反,主要作用是补偿像面位置,而且弯月形凹透镜的配置还兼具广角端场曲的校正的作用,可以看到这两个组的镜片直径小,厚度薄,使用2个独立的微型超声波推动效果很好,就实拍感受来说,这颗镜头的跟踪性能即便结合EOS R的全像素双核对焦也挺靠谱,弱光下也能实现比较好的对焦速度和精度(就是快门速度捉急……)

除此之外,它也延续了大白的对焦阻尼松紧设计,拧到最松的时候可以快速变焦,但俯仰时内镜筒会滑动,且阻尼并不均匀,具体来说在安装遮光罩的情况下,仰拍只会200mm以内时会向内缩,俯拍则会从100mm脱出到200mm左右,所以如果需要快速俯仰移动机位,最好是左手牢牢握紧变焦环以避免这种情况发生,或者缩紧阻尼使用一个固定焦距进行拍摄。而且虽然看起来它是全动型变焦设计,但事实上第2组,也就是防抖镜组在整个变焦过程中是不动的,而其余镜片从广角到长焦变焦时都会向物方移动,第1组的移动量最大,所以会伸出的内镜筒也就只包括了第1组而已。

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结构方面有一个比较明显的特点就是取消了长焦镜头中常用的萤石材料,萤石最主要的特性就是有着较低的异常分散性,从而有利于降低系统二级光谱(它是导致轴向色差,也就是前景/背景光斑带色环的最大元凶,也会影响成像的整体发色),并且二级光谱量与光线的入射高度正相关,显然,长焦系统相对巨大的前组会引入最多的二级光谱量,因此一般都会在前组使用萤石等特殊材料。但随着材料技术的不断进步以及成本上的考量,像RF 100-500mm F4.5-7.1这样,前组使用2个高阿贝数低折射率(比如FCD1和FCD100)的镜片与1个低阿贝数高折射率镜片(比如TAF3)的结合,依然可以有效减小前组的色差贡献,而且这种组合的光焦度不会太大,从而降低因入射角偏折所产生的高级球差量,随后再在系统中引入高阿贝数材料对各个焦段色差进行校正,用料也算得上豪华。

从实拍效果来看,结合机内校正,它确实可以很好地抑制轴向色差这个长焦镜头最大的“敌人”,超大光比边缘也没有出现问题:

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当然,如果是更大光圈的设计,材料上就必须有所有改变了。而且虽然500mm端F7.1的速度比较慢,但虚化效果其实完全够看,简单计算一下不难得知即便是10米的物距,景深也不过16cm出头,拍摄特写时依然可以实现很不错的空气切割感,而且它的在长焦端的最近对焦距离只有1.2米,此时景深仅仅1.4cm:

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当然,这只是理论计算,考虑到在近距离拍摄时有效焦距往往会缩短,所以景深依然还是会在2cm以上,但拍点花草昆虫还是OK的,在相对局促的环境里也一样耍得开,当然问题还是快门太慢,防抖加持也不能保证百分百的出片率。

虽然RF 100-500mm F4.5-7.1的价格并不便宜,但这只是建立在RF的封闭环境内给出的看法,如果放眼整个无反领域,小型化的超长焦变焦镜头仍有“百家争鸣”的势头,腾龙适马两大副厂在这个焦段都有拿得出手且价格合理的选择,而且针对无反机身设计的产品还并未真正面试,目前能买到的都是单反卡口+转接环而来。不过考虑到疫情的影响或许还没有那么快就消散,这种旅行属性较强的镜头在重视程度上或许不会那么高,再加上这种镜头对大多数人来说一年也用不了几次,如果只是尝鲜,副厂是不错的试水对象,真来了兴致再升级原厂也不迟。

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