從適馬105mm F1.4,看中長焦人像大光圈鏡頭的設計挑戰

2021-02-25 玩機小胖

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。

相關焦點

  • 【器材】人像空間切割機:Sigma 105mm f/1.4 ART挑戰Nikon 105mm f/1.4E
    常見的大光圈鏡頭有35mm f/1.4、50mm f/1.4,適合拍人的通常會是小望遠的85mm f/1.4。但如果超過100mm以上,可能很多攝影師會直接選用70-200mm f/2.8這種較泛用的大光圈變焦鏡頭。一來是散景柔美,二來是200mm也可以用長焦段做到很漂亮的散景,而且70-200mm適用於多種場合。
  • 當虛化大師遇上人像攝影 適馬105mm F1.4 Art使用體會
    適馬在 2018 年年初發布了一支105mm F1.4 Art 鏡頭,雖然是年中才上市發售,但是我早已在 3 月份的發布會上悄悄試過了這支鏡頭(偷笑),當時憑藉第一次試拍在相機屏幕上看到的驚豔的焦外表現,我便認定這支是一支真正的「終極」人像鏡頭。到了 9 月份,105mm F1.4 Art 的索尼E口終於上市了,上市的第一時間適馬便寄給我一支 E 卡口的樣頭,太好了!
  • 「經典」的長焦微距 適馬105mm F2.8 DG DN MACRO | Art評測
    適馬105mm F2.8 DG DN MACRO | Art作為一隻長焦微距鏡頭,在拍攝題材時能更遠的與被攝物拉開距離,對於博物類題材來說更加體現了便捷性,長焦兼具風光人像拍攝,2.8光圈虛化背景同時帶來了更多的進光量,滿足各類需求。
  • 就衝著這人像素質,我原諒了適馬105mm f/1.4的重量.
    ,因為同規格的鏡頭此前只有尼康曾發布過一支105mm f/1.4,而其他的105mm定焦鏡頭也只有蔡司和尼康出過f/2光圈的鏡頭。適馬105mm F1.4 Art鏡頭包裝盒側面首先在鏡頭的外包裝部分,適馬105mm F1.4 Art的包裝盒採用了一如既往的黑白設計,簡潔大氣。
  • 適馬105mm F1.4 Art和70mm f/2.8 MACRO Art鏡頭上手體驗
    CP+開幕前適馬Art黑科技系列再添新軍,新款105mm F1.4 Art和70mm f/2.8 MACRO Art鏡頭首次攜索尼
  • 一拍 | 用適馬105mm F1.4 Art拍妹子
    適馬在 2018 年年初發布了一支105mm F1.4 Art 鏡頭,雖然是年中才上市發售,但是我早已在 3 月份的發布會上悄悄試過了這支鏡頭(偷笑),當時憑藉第一次試拍在相機屏幕上看到的驚豔的焦外表現,我便認定這支是一支非常出色的人像鏡頭。到了 9 月份,105mm F1.4 Art 的索尼E口終於上市了,上市的第一時間適馬便寄給我一支 E 卡口的樣頭,太好了!趕緊拿出去拍起來!
  • 適馬105mm F1.4 Art和70mm f/2.8 MACRO Art鏡頭上手初體驗
    【適馬105mm F1.4 Art和70mm f/2.8 MACRO Art鏡頭上手初體驗】適馬終於發FE鏡頭了!
  • 多面能手——105mm F1.4 Art 空氣切割鏡
    SIGMA 105mm F1.4 DG HSM | Art這支前所未見的鏡頭,就是這一「傳統」的產物。105mm焦段配上105mm濾鏡口徑,魄力非同尋常。關於這支鏡頭的「擅長題材」,因為85mm與135mm焦段在人像拍攝中被廣泛使用,所以105mm F1.4 Art也被當作了一支人像鏡頭。這當然是沒有任何問題的。
  • 規格又逆天 適馬到貨50-100mm f/1.8鏡頭
    適用於佳能、尼康和適馬APS-C機身用戶的這款50-100mm F1.8 DC HSM Art新鏡頭,相當於75-150mm焦段。
  • 大光圈人文頭|佳能35mm F1.4II鏡頭解析
    佳能35mm F1.4 II鏡頭整體外觀設計依舊保持了佳能EF鏡頭的設計風格,與一代鏡頭相比因為鏡頭結構的變化,因而在外觀方面也有了較大的改變。從佳能35mm F1.4L II鏡頭的實拍樣張來看,在大光圈下具備了柔和的焦外虛化效果,同時焦內的銳度也比較高,大光圈下的色暈現象得到了良好的校正。
  • 拍航展拍賽車 偏愛大光圈超長定焦適馬500mm f/4
    盤古開天闢地以來,AF的300mm F2.8以上的大口徑長焦距鏡頭就從未跟便宜兩個字有任何的關係。所以,一般的攝影愛好者到70-200mm F2.8或300mm F4,最多到100-400mm,對長焦距的追求就停下了腳步。
  • 「利刃」般全能鏡頭 適馬28mm f/1.4 DG Art評測
    適馬28mm F1.4 DG HSM Art鏡組結構(紅框標記的為非球面鏡片)從適馬28mm F1.4 DG HSM Art鏡組結構上看,適馬這支鏡頭採用了17片12組的鏡組設計。適馬28mm F1.4 DG HSM Art外觀適馬28mm F1.4 DG HSM Art在外觀的設計上也非常的簡潔,光滑的外表除了開了一個對焦提示窗和一個凸起的自動對焦切換的開關之外,沒有一點多餘的設計,由於鏡頭自身比較長
  • 文博相機 尼康AF-S 尼克爾 105mm f/1.4E ED 定焦人像鏡皇 國行
  • 鏡頭 | E卡口135mm F1.8 Art—為虛化而生的人像鏡頭
    而長期以來,135mm 這個焦段更新較為緩慢,索尼也在最近才更新了其 135mm 的焦段鏡頭。其實對於我來說 135mm 是我日常使用率最高的一枚人像鏡頭,在之前的那段空白中,我只能使用 F2 的 135mm 鏡頭配合 MC-11 進行拍攝。 隨著機身性能的不斷更新,MC-11 已經滿足不了我 A9 的連續對焦性能了。
  • 【攝影器材】大光圈超廣角 適馬Art20mm F1.4鏡頭欣賞
    適馬公司於2015年10月16日正式發布了一款適用於全畫幅數碼單眼相機的F1.4光圈超廣角定焦鏡頭——20mm F1.4 DG HSM鏡頭,這款鏡頭也成為全球首款F1.4光圈的20mm定焦鏡頭,它的大光圈設計使之成為新一代「星空神器」鏡頭。
  • 【器材分享】談一談適馬135 F1.8 Art鏡頭
    雖然說「什麼鏡頭都可以拍人像」,但是又會繞回到「如果要把妹子拍漂亮,首先要有漂亮妹子」的命題上。所以我們不要那麼掃興,講講鏡頭就得了。適馬135mm F1.8 DG HSM | Art我們想要很久了的呀(請問適馬君下一次會不會有Art 200mm F1.8 DG OS HSM呢?嘿嘿!
  • 適馬40mm f/1.4測評(LensTip)
    從推出到現在,Art系列已經推出了多支高素質鏡頭,各種定焦、變焦鏡頭含蓋了14-135mm的焦距。考慮到各個經典焦距都有對應的產品了,我們認為適馬之後應該會推出諸如:2/200, 2.8/200, 2.8/300, 4/300, 2.8/400, 4/400這樣的大光圈專業長焦鏡頭,這將會進一步增強適馬的市場競爭力。然而適馬是怎麼做的呢?
  • 70-200mmF2.8鏡頭適合拍什麼?拍人像、掃街、街拍如何?
    光學設計上採用18組23片設計,包括3片非球面鏡片、4片ED(超低色散)鏡片以及2片超級ED鏡片,可以有效地抗眩光。最近對焦距離0.96m,鏡頭最大放大倍數0.25x,11片光圈葉片,使用77mm濾鏡。鏡頭長度200mm,重量達到了1480g,防塵防滴濺設計,而且支持OSS光學防抖,為長焦拍攝提供便利。
  • 【鏡頭推薦】105mm F1.4 DG HSM | Art - 虛化大師的馴服手冊
    SIGMA 105mm F1.4 DG HSM | ArtF1.4 | 1/500s | ISO 400著名的鏡頭製造廠商 SIGMA 適馬 每年都會帶來一款革命性、顛覆傳統的特殊鏡頭。如果你擁有了適馬 105mm F1.4 DG HSM | Art(以下簡稱 105mm F1.4 Art ),當你打開白色包裝盒並取出鏡頭後,你就會被他的外觀魅力所吸引。
  • 適馬18-35mm F1.8 DC讓原廠頭只能賣情懷了
    這時候,Sigma抓住了這個空檔,順勢推出了一款相當強悍的鏡頭, 適馬18-35mm F1.8 DC HSM,這款鏡頭的出現,解決APS-C廣角的短板。這裡我拿到的是Canon接口的 適馬18-35mm F1.8 DC HSM。