從對焦結構到光學設計,一次關於微距鏡頭的暢聊

2021-01-17 玩機小胖

在攝影圈有句老話叫「微距無弱旅」,因為微距鏡頭放大倍率高,有高銳度和高解析度的特質,性能很容易直觀體現,口碑一貫出色。也正因看中這一點,像老蛙等國產鏡頭品牌早早就把工作重心放到了微距鏡頭上,推出了各種花樣百出的微距鏡頭,直到最近才回到初心,發布了FF 100MM F2.8 CA-Dreamer Macro 2X,而這是一顆相當有意思的鏡頭,從它身上可以延伸出很多關於微距鏡頭設計方面的小話題。

老規矩,先聊結構設計,微距本身是增大成像放大倍率,而放大倍率=像距/焦距-1,所以再本質一點看,微距攝影就是把鏡頭後主面往前推來增大像距(也順道解釋了為什麼對焦距離越短,視場角越小),所以最直觀的方式就是鏡頭前組/整組往前移,老蛙包括100mm F2.8、60mm F2.8甚至25mm F2.8等等幾乎所有的微距鏡頭都採用了這個設計邏輯,可以看到無限遠處對焦時所有鏡片都退到了緊靠鏡尾的位置:

而往微距對焦時,前組會率先開始往前移動,到1:4倍率時後組也跟著往前走,到2倍時整個鏡組達到最前位置:

所以最好是給老蛙百微配一個濾鏡,讓它變成「內對焦」,而這種設計最大的好處就是像距移動空間可以做到最大,更容易做高放大倍率,所以老蛙百微達到了2倍(類似的有1倍放大的適馬70ART,但它是內鏡筒直接伸出來的設計)。與之對比,體型跟它很接近的佳能百微只能到1倍,而它採用的是內對焦形式(事實上尼康、索尼、適馬等品牌近似焦段微距鏡頭也都是如此),對焦變化可以參考下面的示意圖:

順道一說:其實老蛙並不是沒有內對焦設計的100mm微距鏡頭方案(1倍放大),只是在最終產品上沒有選擇它,應該也是內部權衡評判後的結果吧。從上圖可以看到內對焦和移動前組/整組不同的地方在於,內對焦時是拉近浮動對焦鏡組距離(除了中間組收攏之外,也有整個後組向前移動的類型)以實現放大倍率的增加,而移動前組/整組則是推遠鏡組間的距離(也有全部鏡組往前移的類型)。產生這種不同的光學原理推導略複雜,就不在這裡進行了,大家知道這個本質區別就行。而兩者還會導致一個潛在區別是隨著放大倍率的增加,系統焦距的變化趨勢也會不同,對於複合透鏡系統的焦距,比較簡單的方法是正切計算法:

f是複合鏡組焦距,f1和f2分別代表兩個鏡片(組)的焦距,d則是它們之間的主面間隔,在對焦到近處時,移動前組/整組對焦結構d值逐漸增大,此時複合系統焦距會隨之變大,而內對焦結構則與之相反,對焦到近處時系統焦距會變短,當然,請記住這是簡化計算法(截距計算法相對會更準確一點,但因為涉及到對每一個光組都要用高斯公式和過渡公式求像距和物距,所以略為複雜),而且鏡頭透鏡位移大多數情況下不會是單調形式,在設計時往往會讓這個變化的幅度收斂得比較小。

內對焦同樣實現了像距放大的同時,因為最前與最後組位置固定,更容易做高防塵防滴性能,機械設計也相對更從容。而且移動前組/整組對焦會帶來一些設計難點,比如是呼吸效應更難以校正。呼吸效應的本質是固定機位對固定位置的物所成的像,會隨物鏡位置變化而引發像高差。當往近處對焦時,前組/整組往前推,此就時需要增加視場角,也就是縮小焦距來補償像高,使其一直保持相同的高度,但前面我們已經推導了移動前組/整組對焦結構在這種情況下會增大焦距,所以需要引入更複雜的結構來進行修正。但考慮到成本和應用需求,民用鏡頭幾乎不會去做呼吸效應的校正,就簡單對比一下佳能百微和老蛙百微吧:

上圖為對著顯示器拍攝的1倍放大時樣張,注意看此時照片能夠鋪滿整個像場,然後固定機位,將對焦環往遠處擰到1:4放大的位置:

參考照片的左右上下位置,可以看出老蛙百微(上圖)所成的焦外像比佳能百微(下圖)來得更小,說明相同放大倍率變化時,老蛙百微呼吸效應更加明顯。但說實話,這其實也是五十步笑一百步的差距而已……

無論採用哪種結構,單單看微距攝影這個主題來說,呼吸效應什麼的倒是沒什麼影響,而且老蛙百微在2倍時的有效光圈,與同為2倍放大的自家60mm F2.8微距相比要高出接近1檔,相同曝光組合下這個差別可以明顯呈現:

有效光圈的基本概念來自幾何光學,標稱光圈的標定是在鏡頭處於無限遠處對焦,也就是光線平行入射、放大倍率為0時,但現實成像必然存在一定的放大倍率,最終有效用於成像的光圈也必然比標準光圈更小,它們之間的關係為:

Fe為有效光圈,Fl為標稱光圈,m為放大倍率,P為出瞳孔徑/入瞳孔徑。對於大多常規鏡頭來說,因為m值很小,大多都在0.3以內,因此有效光圈引發的曝光組合或亮度變化很難察覺。但微距則不同,比如老蛙百微的m值可以達到2,這意味著有效光圈的變化會相當顯著。而可以看到這一算式裡,唯一可通過設計來調整的就只有出瞳入瞳比,而且這個值必須做得儘量大,才能讓有效光圈更大,當然,這個公式主要適用於移動整組對焦的類型,部分對焦或內對焦的情況會比這個複雜不少,用來參考理解即可,比較直觀的對比就是作為照明中心的出瞳孔,在位於最近對焦位置時比位於無限遠處時孔徑更小,光強度隨之降低:

上圖為無限遠處時,下圖為最大倍率時,注意,出瞳孔大小的直觀對比僅適用於同一顆鏡頭在不同焦距或對焦位置時,不能跨鏡頭對比,大家可以自行觀察,比如恆定光圈變焦鏡頭在不同焦段時出瞳孔徑會保持一致。

除此之外鏡頭輸出亮度還要受制於透過率,這與鍍膜、消光、不同介質界面數量甚至材料厚度都息息相關,在這種情況下老蛙百微還能有更高的亮度,可見在設計上還是花了一些心思。

100%放大時的細節確實沒得說,全畫幅大像場做2倍物鏡且從中心到邊緣的銳度和解析度表現都還挺不錯,確實是「微距無弱旅」,也可以說是放大倍率「大一級壓死人」……不過既然前面提到了鍍膜,老蛙百微最大的一個問題就是它的眩光很嚴重:

可以看到出現了很明顯的光暈,而這個問題的癥結並不完全是因為鏡片鍍膜(當然,目前的國產鍍膜性能確實是稍顯落後),主要是鏡筒內消光設計存在缺陷,將鏡頭對著光源並從後端觀察,不難發現佳能百微的內部反光很少:

而同樣的角度,老蛙百微就非常明顯,一眼可見的區別:

事實上這也是整組移動對焦的缺點之一,因為內鏡筒需要大幅度前後移動,而內外鏡筒又需要緊密貼合來做防塵,所以內壁就只能做光滑設計,自然無法很好的消光(內鏡筒直接伸出的設計可以一定程度避免這個問題,但看起來總覺得有點不舒服),再加上老蛙百微鏡片多、鏡筒長,解決難度有點大,需要在材料上花點成本,其實這也算是原廠更貴的原因之一。

接下來具體說說老蛙百微的光學設計,主要的看點是復消色差,一般的消色差系統是選擇兩種色光,讓它們具備相同的放大倍率(消除倍率色差)和像點重合(消除軸向色差),但對於照相機系統來說不可能只拍攝兩個色光,必須引入更多波長,特別是對中間色光的偏離進行校正,而這種針對三種色光校正色差的系統就叫復消色差系統。

以前曾提到過,復消色差的基本形式是使用異常分散值較高的玻璃,比如螢石,來做鏡組,而目前也已經有很多光學常數與螢石接近的材料,雖然成本也不低(日本廠商的每磅價格約在155~180美元之間),但效果確實是實實在在。當然國產鏡頭一般也會用國產材料,價格要低不少。老蛙百微使用了2片ED,雖然沒有資料,但很高几率是國產氟冕材料,而且位置都在中前端,結合膠合設計,光路設計倒也算是規規矩矩。

這裡還可以順道一說,國產大光圈鏡頭喜歡把鑭系玻璃作為特殊鏡片來標示,因為它有高折射低色散的特點,但鑭系玻璃我聽很多人都說它「容易發黃」,這是一個明顯的曲解。黃染是所有高折射率材料的共同傾向(想想菲涅爾反射公式吧),而鑭系基本都是做鑭火石,正好屬於這一類,但事實上在折射率較高時加入鑭系材料會讓短波長透過率更高,反倒沒有其他材料的火石玻璃那麼容易發黃。導致其他火石玻璃黃染更主要原因是環保玻璃用鈦等材料來替代鉛,使得短波長透過率明顯下降,比如重火石玻璃裡同牌號的非環保與環保版染色值就有著明顯的差別。當然,這也並不是絕對定律,有的環保玻璃染色值反而更低,而且環保玻璃比重明顯更低,更有利於輕型化,屬於優大於劣的大方向。事實上鑭火石真正的問題是會減小複合系統的異常分散值,讓消色差變得更麻煩。

回到老蛙百微,復消色差設計讓它的中心區域色差控制相當優秀,在1倍放大的情況下,可以直接與佳能百微對比:

不難發現佳能百微(右圖)的軸向色差更加明顯,遠景虛化呈紅色色環,近景則是呈綠色,老蛙百微素質更高。不過需要注意的是,色差表現與光強度息息相關,在拍攝高反光物體,比如金屬時,高光位置老蛙百微也依然會出現軸向和倍率色差:

而且包括復消色差在內,像差校正都是按部分帶光來計算,在整個像場內並不均勻,尤其在比較邊緣的區域,老蛙百微(下圖左)和佳能百微(下圖右)都會出現明顯可見的軸向色差:

注意,以上測試基於最大光圈F2.8,而微距攝影因景深的關係基本都會使用F8以後的小光圈,這時候入射光柱較為劣質的邊緣區域被遮擋,只留下近軸區域的主光線,從而減少了色差等像差的發生,所以老蛙百微在實際微距拍攝中的色差控制是很不錯的。

老蛙百微與其他單反卡口微距鏡頭不同的是,佳能卡口版用上了觸點,可以通過機身來控制光圈並傳輸EXIF信息,既能減少拍攝時的誤操作,比如不小心碰到光圈環(不注意的話還真不容易察覺)。同時還能讓它可以最大光圈進行取景和對焦,環境光不太強的時候取景器不再是黑漆漆的,這個進步可以有!

實拍對比同為2倍放大時,可見此時60mm與100mm視角差非常小:

但長焦的優勢是對焦距離更遠(24.7cm>18.5cm),工作距離也是如此(7.8cm>4.6cm),更利於布光且拍攝動物時不容易驚擾。要注意關於距離有幾個不同的概念,首先是工作距離,基本可以理解為鏡頭前端到物體的距離,主要應用在不可更換鏡頭的相機上。而可換鏡頭相機一般是標註對焦距離,這是指物體到焦平面的距離。大家熟悉的物距就是光學概念了,它指的是從鏡頭前主面和物體之間的距離,但現代鏡頭不會把主面標出來(而且它也會隨變焦與對焦產生位置變化),所以了解區別即可,不用深究。

兩者有一個比較大的區別是老蛙百微的畸變控制遠遠強於60微,後者在有著非常明顯的枕形畸變,一眼就能看出區別:

畸變因為只是讓像產生變形而不影響像的清晰度,所以目前主要是通過光學設計+圖像處理雙重校正,而且有越來越依賴於後者的趨勢,但顯然,原廠或大牌副廠才有影響力將算法做到機內或讓Adobe預設,所以老蛙60微的畸變只能自己手動調,稍微麻煩一點,畸變很小百微在這方面要方便很多。

除此之外,虛化也是百微這個級別的鏡頭很值得一聊的話題,因為100mm F2.8拍人像還是能打一打的,老蛙百微的虛化光斑形態還不錯,亮度分布很均勻,不過存在一定程度的口徑蝕:

有意思的是這顆鏡頭不同版本還有不同數量的光圈葉片,尼康口7片,佳能口9片,索尼口多達13片……而且在我還算沒用特別久的情況下,也能清楚看到內部出現了積灰,濾鏡還是非常有必要!

實拍焦外柔和程度還是一般,但因為是兼用於人像,所以就不吹毛求疵了。接下來說說操控吧,老蛙百微可以從無限遠到2倍放大全範圍對焦,行程適中,轉接EOS R後上腳架結合峰值對焦微調很簡單,單反光學取景器對焦稍稍需要一點經驗,當然最好也是用實時取景。

沒有自動對焦其實對微距鏡頭來說並不算問題,手動微調精度更高,只是相對原廠和適馬等大牌副廠,老蛙百微缺少了防抖,再加上它的放大倍率有2倍,如果要手持拍攝的話,對環境亮度的要求相對就高了不少。當然,微距鏡頭因為放大倍率高,光學防抖設計的電子部分理論上需要重做,難度相對比較大,從產品定位來說並不符合初衷,畢竟老蛙百微的還不到3000塊,原廠多在近6000 的價位上。而價格上它最直接的競爭對手是適馬105mm F2.8 EX DG OS HSM MACRO,有自動對焦、有光學防抖,並且價格還更便宜(其實七八年前剛發布的時候也是五六千元級),與原廠同思路的內對焦設計,但最大也是最關鍵的相對不足就是只能做到1倍放大。

目前來看可做到2倍放大倍率且能夠在無限遠處對焦的鏡頭非常少,原廠和老牌副廠幾乎不會出,可以說老蛙在小眾門類的極致規格上確實花了不少心思,這款FF 100MM F2.8 CA-Dreamer Macro 2X作為功能型鏡頭,在它最擅長的領域可以說是目前暫時還找不到替代的選擇,確實很有意思。

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