探索未知世界,內窺式廣角微距攝影鏡頭解析

2021-01-15 玩機小胖

光學設計可以說是「條條大路通羅馬」,近似的規格可以有很多種不同的設計方式,微距鏡頭就是其中最有意思的主題之一。從光學來看,放大倍率m=像距v/物距u,套入高斯成像公式1/f=1/v+1/u可以延展得到m=f/(u-f)=(v-f)/f,進一步求到u=(1+1/m)f,v=(1+m)f,不難看出當放大倍率提升時,v變大而u變小,這也就意味著對於一般鏡頭來說,微距設計往往意味著鏡頭與被攝物間距很短,也同時意味著機身和拍攝者更加靠近被攝物,這對於容易受驚擾的被攝物,或空間受限的拍攝環境來說是個很具體的問題。

那麼怎麼解決這個問題?相信大家都看過《動物世界》,裡面有不少的鏡頭都會探入到地底動物巢穴進行拍攝,而它使用的就是內窺鏡系統,如果有去醫院做過胃鏡腸鏡的朋友對這個應該也不陌生。但應用到民用攝影領域,老蛙FF 24mm F14 2X Macro Probe的似乎是第一家,它的外形就是一個比較典型的硬性管道鏡設計,在工業檢測領域相當常見。

金屬鏡身質感很不錯,還附帶了一個專用的手提箱方便攜帶,想得還是挺周到。那麼,好學的你可能會問:為何它的鏡身可以做這麼長(408mm)但放大倍率只有2倍,此時物距u僅僅只有1.5倍焦距,也就是36mm啊?首先大家要了解,物距的定義是前主點與前焦點的距離,24mm F14最短工作距離只有20mm,所以它此時的前主點在靠近前端16mm處,而此時的像距(後主點與後焦點也就是傳感器的距離)為48mm,也就是前後主點之間足足間隔了408-16-48=344mm,它的整個鏡頭構成可以通過結構圖來分析:

視場角超過80度的管道鏡設計以物鏡+對稱型中繼轉場鏡+放大目鏡為主,顯然老蛙24mm F14也遵循了這個設計理念。先看物鏡,如果要做細和做高亮度,就需要有儘量少的鏡片,老蛙的這個設計比較合理,在全畫幅像場做到了光圈F14,而且用ED去校正高折射玻璃面型過強帶來的球差相對增大等問題(但場曲還是會增大),同時實現了前端的小型化。

中繼鏡的作用就是延長系統長度(也就是增加前後主點的間距),有對稱型和非對稱型兩種設計,寬鬆地來看老蛙24mm F14使用的是單稜鏡+對稱型設計,對稱型的特點在於前後半部系統互成鏡像,在對稱折射面上,倍率像差分布係數大小相等符號相反,軸向像差分布係數大小相同符號相同,因此對稱型系統是倍率像差相抵,軸向像差翻倍,這也是為什麼多組對稱型中繼系統需要再接上非對稱型中繼系統來校正軸向以及其它像差的原因。而老蛙24mm F14隻使用了一組,所以只需要通過最後的放大目鏡結構來校正即可,後者包含了一個雙膠合組,2片高折射負鏡膠合了一片低折射低色散ED。對焦為單鏡片向物方移動,且可以從2倍放大對焦到無限遠處,也就是說可以用來日常拍攝,但顏色有些黃染:

因為光程長、鏡片多、玻璃-空氣接觸面多、沿軸厚度大,短波長端的透過率大幅降低,所以如果用作日常拍攝會發現比較明顯的偏暖甚至偏紅,而且像差校正明顯不是針對這個對焦位置,放大觀看時銳度比較差,因此它雖然能對焦到無限遠,但應用方式也應該與微距前景進行結合。

老蛙24mm F14以硬性管道鏡的設計來做攝影鏡頭確實是相當瘋狂,也就順帶獲取了這類設計的先天優勢:做高放大倍率的情況下只需要將細長的鏡頭靠近被攝物就OK,機位和拍攝者可以在半米左右開外,並且可以探入到空間受限的區域,配合拍攝創意可以實現一些非常獨特的視角。

當然它的局限性也非常明顯:因為專業,所以應用面單一,且對環境照度要求非常高,畢竟它的光圈僅為F14,但要注意,鏡頭光圈的標定基於無限遠處對焦時,有效光圈會隨著物面位置,也就是對焦點距離而變小。這一點從光學計算上不難證明,在空氣中,軸上像點的照度E可用以下公式計算:

式中K為系統總透過率,L為發光強度、D為入瞳徑、f為焦距、β出瞳為出瞳孔橫向放大倍率,β為系統橫向放大倍率,U為物方孔徑角。不難看出,D/f(相對孔徑,它的倒數也就是光圈F值)或物方孔徑角越大,軸上像點照度越大,這符合大家的直觀認識。

一顆固定相對孔徑的鏡頭對焦到無限遠處時,系統橫向放大倍率為0,此時有最大照度,而當物面處於有限距離時,系統橫向放大倍率恆小於0而出瞳孔放大倍率恆大於0,軸上像點照度會隨系統橫向放大倍率的增加而減弱,也即有效光圈變小。

當然,最後一個式子更容易理解,放大倍率越大1/β^2就越小,E值也越小。這時候需要更慢的快門/更大的F值/更高的ISO來補償。所以老蛙24mm F14在2倍放大拍攝時不僅要很強的照明系統,條件允許的情況下也建議使用全畫幅機身+腳架+滑軌+機械臂等輔助拍攝(特別是視頻),手持的話配合有機身防抖的無反效果會更好,事實上老蛙24mm F14這種超小光圈鏡頭本身也更適合能夠亮度增益的電子取景,光學取景器亮度相當暗(畢竟只能反射部分入射光線),在單反使用需要實時取景才能方便拍攝。

硬性管道鏡的一大特點就是可探入性,這意味著常規照明措施無法施展拳腳,所以跟工業和醫療類同門器械一樣,老蛙24mm F14前端附帶了需要使用移動電源至多5V/2.1A Micro USB供電的LED燈組,但沒有像工業產品那樣內置LED導光管和電源手柄,只能自己想辦法固定移動電源,稍微麻煩一點。

在局限環境下前置LED的實用性很高,不過實事求是的說,LED的性能比較一般,首先是它的色溫不高約4000K,與日光存在一定的偏差,白天帶環境的微距主題不太方便統一調色,而且沒有內置亮度調節功能(第三方可以買到),全功率輸出進行2倍放大拍攝比較容易過曝。並且這個LED燈陣的忠實顯色指數比較低,這意味著受它照明的物體與其原色會存在色差,對於攝影來說這會是一個比較明顯的問題。當然,它始終是這類產品的「第一人」甚至可能是「唯一」,但在獨特之餘,還是希望能做好細節。

還需要注意的是,如果前組上有灰塵,在環境光較暗的情況下開啟LED會將其照明,形成比較明顯的雜光光斑,所以使用前一定要先擦乾淨。

這裡可以簡單說說關於鏡頭內或鏡頭前阻擋物對成像的影響,這些阻擋物是否能形成實像,也就是能不能拍出這個東西取決於它所處的位置是否在物方焦點前,如果是,那麼可以拍出實像,能夠看到這個阻擋物,比如老蛙24mm F14鏡組前的灰(形成前景虛化光斑)。如果不是,它就只能形成虛像,對成像只會影響亮度,但也隨光圈、遮擋物大小、具體位置影響,可以做一個簡單的實驗,我在50mm F1.2的尾部鏡片貼上貼紙遮擋後進行拍攝,這已經遠遠在物方焦點之後:

接下來進行拍攝:

上圖為F1.2時,下圖為相同曝光但光圈設定為F4時:

可以看到,大光圈時因為光線高度充裕,完全看不出有被遮擋的痕跡,事實上此時的像面照度是受到影響了的,快門速度相對無阻擋時有變慢。而隨著光圈縮小,周圍光線無法完全覆蓋被遮擋區域,成像受貼紙影響而出現了一定程度的陰影(注意這並不是它的像),但仔細看依然能夠分辨陰影內的細節,只是亮度由邊緣向中心線性降低。而阻擋物越靠近傳感器,擋光幅度就越大,當放在傳感器上時就會直接擋住了對應像素位置的入射光,無法進行有效成像。因此傳感器除塵很有必要,無反鏡頭因為鏡尾更貼近傳感器,所以換鏡頭時也可以順帶看看有沒有灰塵,用皮老虎吹一吹。而鏡頭內的灰塵雖然不影響自動相機的拍攝,主要影響透過率,但嚴格來說也會讓像差複雜化,並且影響虛化光斑效果,有強迫症的話最好還是做足防護工作。

防護性方面老蛙24mm F14做得很不錯,因為機械結構都在內部,除了換鏡頭時有空當之外基本不會有異物入侵的機會,而且前組20cm左右可防水,所以能夠伸進水中進行拍攝,所以耐候性很靠譜,我也在拍攝時不小心「揮舞」它敲過好幾次牆壁、腳架、桌面了,目前來看毫無影響,日常耐用性比較穩妥(當然,還是小心點好)

LED補光也不是隨時都好用,非探入式拍攝時獨立布光會更好用,LED有時候反而會因為大光比、被攝物反射等現象造成拍攝困擾,按需開啟最穩妥。

這次我選擇的是EF卡口視頻版老蛙24mm F14,與相機版相比唯一的不同就是F14-F44無級光圈環和對焦環採用了齒輪設計,方便上跟焦器。如果要與傳統設計的鏡頭相比,它的成像性能嚴格來說並不算出色。但畢竟這是一顆特種應用型鏡頭,甚至可以說是僅此一家,所以像差測試沒啥意義,24mm讓它在放大倍率較高的情況下依然有相對充裕的視角,合理構圖時可以實現帶環境的微距主題,比60mm、100mm等常見微距焦距更生動。素質在3000萬級帶低通傳感器上是綽綽有餘,如果你用手機看照片就更沒啥影響了。

總體來說這是一顆很好玩的鏡頭,但因時間的關係,截至寫這篇文章的時候沒有來得及拍太多照片和視頻(特別是戶外水下的),以後我會陸續發一些用老蛙24mm F14拍攝的素材,到時候再繼續做體驗分享吧,感謝大家閱讀。

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