正如我在索尼135GM內容裡提到的那樣,人像鏡頭最重要的兩個設計目的是銳度與細節都足夠高的焦內,和乾淨柔和的焦外虛化,而在當前的設計工具和玻璃材料支持下,這兩點恰恰都是中長焦大光圈鏡頭更容易實現的區域,這也是為什麼近年來湧現出好幾款100mm左右F1.4光圈鏡頭的原因,其中比較經典的案例就是適馬105mm F1.4 ART。
從個頭來看不難發現這可是個大傢伙,重量是驚悚的1.6公斤!比佳能85mm F1.2重了600多克,與它最般配的機身是1DX2這種自帶手柄的速度旗艦,如果是5D4、6D2等機身與之搭配就顯得有一丟丟滑稽的感覺……
先來分析一下它的設計吧,無論適馬105mm F1.4 ART、尼康105mm F1.4E、索尼135mm F1.8GM,甚至剛剛發布的蔡司Otus 100mm F1.4,它們的共同特點就是都基於Sonnar這個大框架修改而來,Sonnar本身在1930年代就是以打開中長焦大光圈鏡頭設計而聞名,當然那時候的大光圈還停留在卡爾蔡司180mm F2.8/150mm F4、徠卡Tele-Elmar 135mm F4、尼康Nikkor-P 10.5cm F2.5這種級別上,隨著光學設計方式和材料的進步,才有了我們現在的這些F1.4級別中長焦鏡頭。以我手裡這顆適馬105mm F1.4 ART為例,它的光學設計如下:
結構上來說有一些可能存在的顧慮,比如第3、4片,也就是整個系統第7、8面的曲面半徑很接近,相對會比較容易導致眩光,事實上確實如此:
上為炫光實拍樣張,下為從出射卡口內窺的眩光形態
而且第6、12、13、16片中心非常薄,這對冷加工是一個比較大的挑戰,特別是最後2個膠合組,應力釋放時比較容易產生面型變化,當然,落到最後就是影響成本的問題,以適馬目前的加工裝配水平來說應該是比較有信心。
可以看到17片鏡片裡,使用了3片FLD低色散、2片SLD特殊低色散鏡片以及1個非球面的設計,這個用料比尼康105mm F1.4E更奢華,整個光路呈葫蘆形,第三片FLD處於光線轉向位置,利於校正像差,而第1-4和第9-12設計思路十分接近,最後那片非球面的位置感覺不太理想,放到光闌後雙膠合面效果會更好,而且考慮到它內部有相當多的雙膠合和微小間隙雙分離鏡組,即便沒有非球面,也能通過選擇正確光焦度組合的普通材料來實現消球差。當然,它的總體用料仍算是不失理智,特別是對比14片有10片為特殊玻璃的蔡司Otus 100mm F1.4時:
事實上兩者還有不少共通之處,而這裡可以引發一個思考:為什麼要用這麼多特殊玻璃,這些玻璃究竟特殊在哪裡?
接下來的部分會以光學基礎知識為主,可酌情閱讀,不想看數學和推算可以直接跳到本段最末的加粗文字部分。
光學玻璃有一個基本特性:同一塊玻璃的折射率隨波長減短而變大,一般來說將486.1nm波長的F線折射率,減去656.3nm波長的C線折射率,也即nF-nC作為光學材料的平均色散,我們一般說的折射率主要是位於F線和C線中間的587.56nm波長d線,也即nd,它也基本位於我們人眼可見光波長的中間位置。一般來說,nd值越大,也就是標準折射率越大的材料, nF-nC平均色散也越大,換言之即是藍色光線與紅色光線的折射差會明顯變大,因此無論適馬的SLD、FLD或其他品牌的UD、ED,本質上就是低折射率、低平均色散的光學材質,它們最基本的應用目的就是降低系統色差。除此之外還有一個比較重要的名詞:阿貝數,也叫平均色散係數,它的值vd=(nd-1)/(nF-nC),阿貝數越低,色散就越明顯。
事實上,針對兩個波長消色差的設計其實已經非常成熟,色差分為軸向色差(主要影響焦外)和倍率色差(主要影響焦內)兩種,理想近軸光學系統的軸向色差係數是:
作為空間不變線性系統,多個鏡片的色差值以連加的形式呈現,h為光線高度,φ為光焦度,v是阿貝數,系統裡光線入射高度較大的鏡片會貢獻更多的色差,這也進一步揭示了為什麼小像場系統,比如手機,相對更少出現色差的原因(倍率色差也是如此),校正軸向色差的條件就是φ/v=0,而一個雙膠合或只有微小空氣間隙的雙分離透鏡組還應該結合總光焦度來求解,可得兩塊鏡片的光焦度值分別為:
從上可得,如果光組為正,就需要一片低折射率的凸鏡搭配一片高折射率的凹鏡,如果光組為負,則是一片高折射率的凸鏡搭配一片低折射率的凹鏡,這樣的組合就能比較好的校正兩個波長的軸向色差,而這兩片鏡片的間隔越大,消色差解所需的光焦度會明顯增大,相對設計會更複雜一點。事實上倍率色差同樣受入射光線高度的影響,校正條件也是φ/v=0,過程就不推演了,所以即便是普通鏡片,在雙膠合或位置非常貼近的情況下可以同時校正軸向和倍率色差。對於當代鏡頭來說,佳能的BR光敏注膠材料也是藉由一個膠合組合來實現短波長折射率的增加,從而便於校正短波長端軸向色差,減少藍綠光暈出現,是一個一組頂多組的典型方案。
但對於數字成像來說,整個可將光譜甚至超出的部分都得考慮進來,傳統的雙膠合只能校正其中兩個波長的色差,它們的公共焦點或像點相對於中間色光,比如d線的焦點或像點依然存在偏離,所以最終輸出依然會有色差,而這種偏離即為二級光譜。行業內針對二級光譜校正的設計也就是大家應該耳熟能詳的APO,在這裡就假設一個系統針對C線和F線光校正軸上色差後,它們所形成的公共焦點與d線焦點的距離,也就是二級光譜值為:
(nF-nd/(nF-nC)是F線與d線之間的部分分散比,用P Fd來表示,因此,校正二級光譜的條件就是:
結合消色差條件φ/v=0比較可知,二級光譜的校正需要各片玻璃有相同的相對色散,但阿貝數又要相差較大,然而遺憾的是,世上並不存在這種鏡片,這正是校正二級光譜有較大難度的原因,而將前面提到的雙膠合消色差解代入到上式,可得雙膠合或間隙很小的雙透鏡鏡組二級光譜具體數值如下:
寫了這麼多終於重點!把注意力放在上式最後的分數部分,簡單來說,二級光譜的數值僅由玻璃材料的部分分散比與阿貝數之間的比值所決定,而這個比值對於絕大多數玻璃材料來說幾乎呈線性關係,也就是說對於膠合設計來說,二級光譜量與結構沒有關係,不同普通玻璃材料組合得到的結果也基本是一個常量,d線相對F線的二級光譜約為0.00052f』。這也正是為什麼要使用大量特殊玻璃的原因!對於色差校正來說,特殊的地方在於它們的部分分散比與阿貝數之間的比值並沒有遵循線性關係,而是存在一定程度的偏離,而這種偏離就叫異常分散性,異常分散性高的玻璃材料非常有利於校正二級光譜,即便是在非膠合的鏡組當中,這種特殊鏡片的作用也很重要(事實上現代鏡頭得益於材料的快速發展,設計上並不再特別提倡膠合),因為這大光圈系統意味著入射光線高度較高,所以適馬105mm F1.4 ART等鏡頭一定會在前組就用上大尺寸的高異常分散性鏡片來降低影響,成本是高了點,但物有所值:
上圖為100%放大,會看到一定程度的軸向色差,但倍率色差收斂得很不錯。但別忘了這是100%放大,在鋪滿4K顯示器觀看時,適馬105mm F1.4 ART的總體色差控制能力相當不錯,即便是在有75mm入瞳孔徑的情況下,能達到這種水平已經很不容易。
需要注意的是,正確的材料需要配合正確的設計才能獲得最佳效果,單純的堆料並不一定代表成像素質出色,最好的例子就是奧林巴斯那幾顆F1.2鏡頭,用了非常誇張的設計但像差表現卻不盡如人意(但從專利來看那幾顆也是適馬代設計的,這個嘛……)。而且二次光譜的校正會隨離軸程度和孔徑變化,往往只能對一個帶區進行校正,一般是選擇具有最大剩餘球差的0.707帶光,所以色差的變化往往會比較複雜。
色差控制較好也意味著適馬105mm F1.4 ART的顏色會相對更為準確(當然,最終還是得靠機身解馬賽克猜色),無論焦內焦外,像點擴散的分布形式除了最基本的衍射之外,也還受鏡頭像差的影響,其中比較大的一個項目是球差,球差校正幅度不同,前後景點擴散會分別呈中心密集或邊緣密集的情況,非球面的引入則會因具體的研磨精度,可能產生一圈圈的「洋蔥圈」式分布形態,適馬105mm F1.4 ART的光斑正是如此:
同時可以看到幾乎沒有因軸向色差而出現帶色光環,而且9片光闌葉片很圓,整體來說適馬105mm F1.4 ART的虛化是相當給力的,特別是在主體與前後景有較長縱深的情況下,根據彌散圓計算公式:
假設背景點光源物距Ub=20米,對焦於Ua=2米,N=F1.4全開,f=105mm,可得彌散圓尺寸C為3.55mm左右,物方對角線有0.85米左右,是半身人像的理想覆蓋範圍。作為對比,在物方對角線長相同的情況下,如果換用135mm F2則需要將對焦距離增加到2.7米左右,此時再計算彌散圓C=2.93mm。如果繼續換成85mm F1.2,對焦距離為1.7米,C=3.23mm,也就是說在主體佔比相同的情況下,適馬105mm F1.4 ART的虛化強度要大於原廠135L和85mm F1.2。調整到適馬105mm F1.4 ART的最短對焦距離1米,物方對角線0.42米左右,比較適合拍特寫,虛化光斑也能達到7.48mm左右。
因為軸外光束不能全部通過系統,彌散圓會隨離軸幅度增大而呈貓眼狀口徑蝕,程度與入瞳和像場面積直接關係,幾乎所有大光圈鏡頭都會受此影響,即便是前組都已經做到105mm的適馬105mm F1.4 ART:
但事實上這個口徑蝕已經算控制得很不錯,收到F2.8就基本上看不到口徑蝕了:
總體來說適馬105mm F1.4 ART的虛化效果是目前佳能系統中長焦段的唯一選擇(原廠沒有這個焦段鏡頭),而且效果相當出色,較好的像差校正也意味著它能夠很大幅度減小跑焦的機率,配合1DX2的AF-C,環境光條件比較好的情況下出片率還不錯。
焦內方面,因中長焦鏡頭視場角相對更小,受軸外像差的影響也明顯沒有那麼大,再加之此前鮮有超大光圈設計,所以比較容易做到比較平整的MTF,即便是價格沒那麼高,或相對有些年代的也是如此,佳能「1996年雙雄」135L和180L就是比較好的例子。而適馬105mm F1.4 ART的全開光圈MTF中心部分很出彩,具備較強的反差呈現能力,細節表現也比較出色,實拍反饋也是如此:
中心部分100%截圖,上為F1.4,下為F4,可以看到非常細微的對比度差別,但幾乎是可以忽略的。
不過在邊緣有較明顯的下滑,徑向切向有大幅度的偏差,表示全開時邊緣會明顯受像散影響導致結像不實,作為對比,F4時就會明顯好轉很多:
上圖F1.4,下圖F4,邊緣部分100%放大
但考慮到這是一顆人像鏡頭,邊緣往往早就被虛化成高斯都認不出來的模樣,所以影響不算很大,如果是旅途中偶爾拍拍風光,收縮到F5.6就很OK了,所以從人像焦內表現來說毫無疑問是頂級水平。
對焦速度方面,適馬105mm F1.4 ART採用的是從第5片開始整個後組全部移動對焦的設計,涉及到足足12片鏡片,所以它在大幅切換對焦點位置時速度不算特別快,配合1DX2這種高電壓機身時會比5D4、6D2等機身更快一點,但總體來說配合AF-C抓拍人像的壓力不大。
要說關於適馬105mm F1.4 ART的遺憾,較大的體重是一個,沒有帶防抖是另一個,體重是為大孔徑校正像差不得已而為之,而中長焦大光圈定焦不帶防抖在以前算是默認的設計潛規則,其中的原因在於入瞳徑的增大必然使入射光束直徑變大,進而同樣需要有較大尺寸的光學防抖鏡片和驅動結構,35mm F2隻需要單片就能搞定,到百微就需要厚度和口徑明顯更大的鏡片,且數量達到3片才可實現,佳能最新的85mm F1.4鏡片尺寸進一步加大的情況下數量也有3片,到400mm F2.8的時候就更是4片的組合,而且這已經是將防抖模塊設計在光路較窄的後組的前提下,可參看下面的對比圖:
不難想像到105mm F1.4需要使用多大尺寸的防抖組件才能實現設計目的,對本身就已經相當龐大的體型來說不算一個好消息,這也是為什麼在無反領域各大品牌會以機身防抖為主要方向的原因之一。
好在目前的全畫幅單反幾乎都有著相當不錯的底噪控制/降噪塗抹技術,高ISO下F1.4即便在室內手持出片率也不算太低,覺得端太久受不了的話可以上獨腳架穩一穩,適馬105mm F1.4 ART是標配腳架環的。至少對於佳能EF卡口單反,適馬105mm F1.4 ART是目前獨此一家的人像之選,從設計到實戰輸出都算是優明顯大於劣,比較適合有85mm F1.8甚至135L的朋友們升級。