长焦镜头如何小型化，RF 70-200mm F2.8测试与剖析

虽然摄影玩家不算是一个特别大的圈子，但最近依然爆出了一个网红话题：RF 70-200mm F2.8，这颗镜头主要有几个问题，基本都与“200mm在最近对焦距离”这个大前提有关，首先是对焦不实，其次是视场张角扩大（也就是焦距变短），没想到这俩问题的辐射度还挺大，以至于几乎每一个略了解器材的朋友看见我用它拍照的都会问我这俩问题（尤其是对焦），事实上这颗镜头严格来说本身就是一次全新的设计尝试，这些问题严重么？为什么会导致这些问题？它的设计究竟有何独特之处呢？

首先是对焦不实的问题，佳能官方也已承认，在长焦端最近距离开最大光圈时有一定几率焦点会向前景移动，举个例子：

EOS R机身固件1.6.0，镜头则是1.0.5固件，100%局部截图，对焦点选中“a9 II”，但显然已经前移到了与“Menu”之间的某个位置。而且在140mm以上的焦距近距离拍摄都能遇到这种对焦点漂移的情况，拍摄了数百张200mm焦距微距照片，2米以内的对焦距离有较高概率出现100%放大时肉眼可见的对焦错位，当然，这些照片都特别选择了纹理、轮廓或颜色容易判断对焦位置的静置被摄物。

那么有人就会问“不是说无反不跑焦么？”这个问题其实有点以讹传讹的意思，事实上这句话的产生是源自与单反的对比，单反是对入射光线进行二次分光，并由对焦线性CCD检测二次汇聚时的空间位置：

意味着镜头如果存在较大的像差，对应二次汇聚的空间位置就可能产生偏差，进而导致跑焦的问题。且因为是只分到小部分入射光线（大部分要反射给光学取景器和测光模块），因此对入射光强很敏感，需要光圈全开对焦且弱光下容易抓瞎，也会影响到日常准确度和响应速度，同时分光结构还受制于对焦模块传感器基线长度，所以最大对焦光圈也受限。

而无反的片上相位检测可完全利用入射光线且要么是左右或上下遮挡半像素，要么是两个像素共用一个微透镜，索尼最近甚至用上了四个像素共用一个微透镜的设计：

因为不需要分光二次成像，直接检测入射光线在一对对焦像素之间的点扩散区间，区间最小=亮度最大=合焦（请脑补裂像屏），相对单反独立模块来说，无反对焦一则几乎不受制于镜头像差，二则不需要全程光圈全开，三则对焦像素密度大、精度高，结合图像识别算法后的速度也非常快，弱光下往往会先相位差对个大概，再切换到准确度更高的反差对焦磨一下，保证精度，不过片上相位差也会受口径蚀和暗角的影响，边缘会削弱一点。除此之外，所有对焦点均可联动，不受基线长度限制不挑光圈，最大光圈仅F11时也能自动对焦（400mm F5.6+2x增倍镜），实测EF 85mm F1.2这种因存在较大像差，在单反上总被抱怨对焦龟速且不准的超大光圈镜头，转接到R系统后速度精度均有明显提升，这就是原理性的增益。

但是，这仅仅是说明无反更准，并不等同于在说无反不跑焦，在完全抛除人为主观因素（室内脚架固定、电子快门、遥控拍摄）的情况下，经过多种设置条件下的多次测试，估计RF 70-200mm出现跑焦的原因还是镜头与机身通信的问题，如下图所示：

依然是放大截图，对焦选择是镜头盖Canon字样，这时候没有任何的干扰项，反差大、非水平规则纹理，应该是最容易对上焦的位置，但参考桌布纹理不难发现，自动对焦位置跑到了前面。而AF-S到Canon字样位置后切换为MF，连检测反差的峰值对焦都提示在该位置合焦，但放大后很明显能看出不准，还需要微调，这说明镜头与机身系统适配出现了偏差，对焦马达没有接收到正确的信息，无法将镜片推到位（推过了），而这个问题应该是可以通过固件升级来解决的。

目前来看缓解的方法有两个，第一就是选择更靠前的对焦位置（有纵深条件的情况下），第二就是手动+放大，但显然都是缓兵之计，真正解决问题还得等新固件。不过这个问题的实用性影响力并不大，一来这种小微距其实不算这颗镜头的主打应用，二来即便是拍微距，最主流的手段也得缩小光圈，且以静物或处于相对静止状态的动物为主体，所以要么有工夫去细细的磨对焦，要么就主要受被摄主体的影响，无论拍摄者还是模特稍有一点移动就会导致焦点跑偏。

第二个关注重点就是长焦端最近对焦距离时的实际焦距，上个与EF 70-200mm F2.8三代的对比，先看EF老大哥在1.2米时的状态：

固定脚架不改变1.2米的对焦距离，换上RF 70-200mm拧到200mm，依然是F2.8可得：

很明显，虽然都是标称200mm，但实际视角却有巨大的差别，RF明显比EF短，虽然用物距像距法或共轭法可以大概算出有效焦距，但因为是复杂厚透镜，与真实值可能有较大误差，就不在这里推算了，毕竟表象已经很明显，难道佳能新镜头虚标了？别慌，如果是在物距较大（超过2米后）的情况下，两者其实并没有什么区别：

本身镜头焦距的标定就是以无限远处为基准，所以不存在虚标的问题。但为什么近距离时会有如此巨大的差别？这与镜头对焦设计有直接关系，如果以两片式正负分离镜组为简化模型，固定后组负镜Fb且移动前组正镜Fa进行对焦，此设计在对焦距离越近时，前组会往前推，镜组的沿轴间距d就越大，而此时的组合焦距：

显然会越大，换言之就是视场角缩小，比较典型的代表是TS-E 50mm F2.8，微距视角明显比无限远时更窄：

而EF版70-200mm F2.8三代以及RF 24-70mm F2.8也是此类设计。

回到两片式正负分离透镜简化模型，如果是固定前组正镜Fa而移动后组负镜Fb进行对焦，通过计算可得到与此前相反的结论：从无限远对焦到近处时，两者的沿轴间距d会缩小，而此时的组合焦距则会也会随之减小，视场角扩大，RF 70-200mm则是属于这种设计：

可以明显看到与TS-E 50mm F2.8是相反的。而不少人可能会把这种焦距“缩水”归结于呼吸效应过大，但呼吸效应的本意是指在不同对焦位置时，固定物的像高变化范围，而RF 70-200mm与EF版的像高变化方向是相反的，所以不能直接类比，实测在70mm端最近对焦位置时，RF的呼吸效应要更小一点：

上图为RF，下图为EF

而200mm端其实RF版呼吸效应也要小一点：

上图为RF，下图为EF

这是因为去呼吸的本质就是在对焦过程中补偿因对焦镜组移动而产生的焦距差，RF 70-200mm采用了两个对称型配置的负镜作为对焦镜组，从无限远到近距离时两者反向运动，从近距离到无限远则是相向运动，严格来说是后组对焦，前组补偿，从而达到降低呼吸效应的目的。

当然，小型化设计采用双NANO USM马达也算是必然，环形USM在这种高密度机械与电子元件结构下很难有容身之处（连光学补偿元件的机械固定都去掉了），也没有太大的必要。而且这次的NANO USM更多基于电子结构，简化了机械传动，这种设计既有利于做轻，也给予了凸轮更多的强化设计空间。

而且刚刚的等物距等焦距视角对比还有一个很大的“盲点”——虽然1.2米时RF 70-200mm视角比EF版更广，但它的最近对焦距离也大幅收拢了呀，只有仅仅0.7米，比EF版老大哥足足近了半米，拘束空间内挥耍起来更舒适了，再来看0.7米时的图像：

是不是一下子就补回来了？稍微再退一点也能实现与EF版在1.2米时非常相似的视角。可以说对于实用而言，对于这种小视场角的主题来说，RF版200mm端微距“缩水”唯一的影响无非就是机位的远近而已。

而有人提到的虚化问题，事实上主体放大倍率相同，也就是RF版距离更近一点的情况下，与EF版并没啥大区别，仔细看右侧的RF的背景光斑还稍微大一丢丢：

而且仔细看也几乎没有色环，不过内部可以看到细微的洋葱圈：

好了，关于RF 70-200mm的问题差不多就梳理成这个样子，接下来聊聊它的设计，绝大多数品牌的70-200mm镜头无论F2.8还是F4，几乎都采用内变焦设计，这个设计的优点非常多：密封性强、重心稳定、简化凸轮设计，而且光学设计是一门严重依赖设计师经验的学问，在有充裕历史积累的前提下，内变焦显然是恒定光圈70-200mm镜头设计的首选。

但内变焦是以长焦端为基础进行设计，所以有一个自然而然的缺点就是镜身长且重，因此相当多玩家手里的这颗镜头都处于长期吃灰的状态。而在无反版70-200mm F2.8佳能想要做一些改变，就有了采用全动式设计外变焦设计的契机。而如果要用一个关键词来形容RF 70-200mm的特点，“小型化”自然是当仁不让，体重和收纳长度都大幅缩减，一个小型的斜跨相机包就能同时带走它和RF 24-70mm F2.8。

多组全动设计相对内变焦常见的正组补偿、负组补偿或两组联动的优势就是可以大幅缩小结构尺寸，但长焦端镜组必然前伸，事实上这种设计在很多大变焦非恒定光圈镜头上都能看到，比如同样定位很高的100-400mm。而对于RF 70-200mm F2.8来说，最大的设计难点就是没有先例，而变焦的过程从数学结构来看其实就是一个连续微分的过程，因此获取变焦系统高斯光学参数的数学方法就是解一元或多元非线性方程组，并在约束条件之下求得系统组元的光焦度分配和运动形式初始解。具体实施方法还是比较多，在这里就不赘述了，在这方面日本企业有明显的领先优势。

接下来说说结构，先看图：

这是70mm端的结构图，往长焦端变焦时，除了光学防抖组G2之外其余所有组都会往前推，所以这是一个比较典型的全动型变焦设计。整个设计的关键点比较多，逐个来说吧：

最靠近像面的两组G6G7为负镜，在望远结构里起缩短总长的作用，是系统小型化的关键，但这种复数负镜组会引发轴向光线在像面位置发散，从而产生球差和轴向色差，同时也会增大场曲，不利于大光圈设计。RF 70-200mm的解决方法首先是把最后一片做了双面非球面，虽然是模压而非研磨工艺，但性能还是有保证的，其次是控制不同透镜单元的光焦度和变焦/对焦移动量，比如从广角到长焦变焦时G6与G7的沿轴间距会逐渐增大，也就是G6的移动量大于G7，同时两者焦距分配必然是G6远小于G7，目的都是为了在小型化与低像差之间做权衡。

而且这个新设计里有不少的身兼数职的多功能组，比如G2，它既是光学防抖组，但同时也是标定变焦倍率的关键，它的焦距不能太大，否则所有变焦镜组的移动量都会变大，但也不能太小，会导致球差彗差的增加。G6虽然是对焦镜片，但在变焦过程中它也起到倍率增益的功能，除此之外还有G3还是上了单面模压非球面工艺的UD，这一片的良率不会高到哪里去，成本不便宜，将其合二为一且放在光阑像侧起到整形光束并校正前组像差的功能，同时也符合小型化的设计主旨。

至于有朋友提到的“没有萤石”，根据二级光谱计算公式：

可见长焦镜头因为光束高度较高且焦距长，二级光谱较大，所以普通长焦镜头很容易看到色差，需要配合具备大幅偏离阿贝经验公式的材料（也就是高异常分散性材料）才能很好的校正二级光谱，其中氟化钙，也即萤石最具代表性。RF 70-200mm F2.8虽然没使用萤石，但它用了一块超级UD，与普通UD相比最大的特点就是各个相对波长的异常分散性明显更高，可见光波段内的光学常数与萤石很接近，因此至少在摄影镜头里完全有资格替代萤石，实拍也充分证明RF 70-200mm F2.8的色差并不会比有使用萤石的EF 70-200mm F2.8 III大，无论倍率啊还是轴向：。

上图是RF，下图为EF

最后说说其他方面的光学素质，比如口径蚀，RF和EF版本的差别很小：

先看200mm，上图为RF，下图为EF

接下来再看70mm，虽然RF版采用外变焦，70mm端明显更短，但口径蚀主要与渐晕光阑相对光圈的位置有关，因此实际上与EF版也没有明显的差别：

上图为RF，下图为EF

RF因为总镜片从EF版的23片下降到了17片，因此RF 70-200mm F2.8的眩光要相对少一点：

上图为RF，下图为EF

在能够准确对焦的范畴内，RF 70-200mm F2.8的性能与EF版基本一致，结合EOS R可以很好的发挥性能，小型化设计从整体来看无疑是成功的。并且机械结构设计也没什么问题，内镜筒不会晃动，虽然没有阻尼调整结构，但在俯仰时都也不会随重力脱出或收回，这段时间的使用也暂时没有外变焦发现进灰的问题，各种细节设计也做得都挺不错，在这里就不多说了。

总体来说，RF 70-200mm F2.8这颗采用全新设计的大三元镜头虽然有刺可挑，但宏观来看依然难得的保持了高水准，而且已有的问题要么有解决办法，要么压根就不是问题。看得出佳能在这颗镜头上确实下了不少功夫，事实上现有红圈RF镜头相对对应的EF版多多少少都有进步，无论是来自性能还是功能，并且佳能的镜头布局思路相当成熟，几乎完全弥补了机身性能相对其他品牌（特别是索尼）的不足，让人实在好奇：未来的RF系统还能带来哪些有意思的变化呢……

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