重型化将成主流，聊聊新时代的广角镜头设计思路

大豆农民 · 发表于 2019-7-9 12:10:35

今天的内容主要是两件事，第一是履行承诺来解析宾得15-30mm F2.8的性能，第二就是以它为起点，延展开来讨论一下超广角镜头在无反/单反时代的设计异同。话不多说，先进第一个主题吧。

众所周知，腾龙为宾得做了不少镜头的代工，15-30mm F2.8就是其中之一，这颗HD PENTAX-D FA 15-30mm F2.8 ED SDM WR和腾龙A041 SP 15-30mm F/2.8 Di VC USD G2光学结构非常接近（因为没有详细设计图，所以暂时不能说它们是完全相同）：

这种广角变焦镜头的光学结构其实没啥好说的，但腾龙版本的这颗镜头也挺有意思，首先它有A012和A41两个版本，后者是新版，改进了镀膜和对焦性能，也就是光学性能没有变化，连MTF都是一样的，事实上宾得15-30mm F2.8的MTF与腾龙A012和A041也很接近，但腾龙的这两个版本都多出了VC镜头防抖功能，防抖镜片就是上图里圈出来的那一个镜组。因为专利的关系，宾得的版本并没有防抖模块，这也是它轻60克的原因。
15-30mm F2.8与K-1 II的组合体重比较大（机身1010克+镜头1040克），靠较长的外镜筒来实现“伪内变焦”，15mm时前组推到最前端，后组则反方向推到最后端：

30mm时与之相反（想想复合光组焦距公式就不难理解了）：

这个设计比起单纯靠移动前组的外变焦来说还挺聪明的，当然代价就是尺寸大一点。
以正常风光摄影的思路来缩光圈拍摄时，F6.3之后15-30mm F2.8中心到边缘的均匀性还不错，适用于风光拍摄。但如果是F2.8全开的话会出现一定程度的像散和场曲，边缘锐度和分辨率会明显下降：

而且即便是F8这个级别的小光圈，放大观看时，边缘区域的高光比位置还会伴随出现较为明显的色差，后期拉一下对比还会更加明显：

夜间拍摄光圈全开，可以看到15mm F2.8的边缘会明显受像散和彗差的影响：

从光斑来看非球面镜片的波前光程差很明显，产生了非常明显的洋葱圈现象，边缘光斑的变形也很明显：

比较严格的标准下，宾得15-30mm F2.8总体来说这并不算是一颗素质很高的广角镜头，结合K-1 II的像素偏移可以一定程度提升静态环境拍摄的极限分辨率（如下图，左为单帧，右为像素偏移），不过站在整个全画幅广角镜头的行业里来看只能说是平平无奇……
但是这颗镜头的耐用性确实没得说，我在K-1 II的测试里把它放到冰箱冷冻室冰冻了20分钟，拿出来之后还遭遇了内镜组和镜身因表面温度与空气温度存在较大温差而引发的大量结露，即便如此，在水雾蒸发后机械性能依然稳定，拍摄也丝毫不受影响，能做到这种水平也要归功于它相对更多的机械时设计元素。
大多数镜头都会做防尘防滴设计，主要的方法就是用橡胶材料填充活动构件的接缝位置，以达到阻隔外部水汽灰尘的目的，除此之外还会在第一面和最后一面加上氟化物镀膜以增强疏水疏油性，这些常规防护的目的都是“阻挡外敌”，但像冰箱测试那种结露现象是源自镜头内部的空气水汽，对于电子结构较为复杂的设计来说基本上很难做到有效防护。
而宾得15-30mm F2.8是如何做到的呢？关于镜头的电子部分，大家可能第一个想得到的就是自动对焦马达，这颗镜头使用的是超声波直驱对焦马达，它的工作本质是压电陶瓷以改变电压的方式来产生行波振动以推动转子运动，表面波型超声波马达的运动速率可表达为：
定子振幅为Z、材料表面与临界面间距为e0、定子振动的频率为f，波长为λ，这里面能动的只有Z，也就是改变压电陶瓷的电压来实现，而压电陶瓷作为制作声呐、雾化器的材料，耐水性很出色，所以自动对焦马达部分基本不受影响。
另一个可能由电子控制的部分则是光圈，大多数机身系统都是通过数字信号与镜头互联，以调整光圈数值，但对于宾得系统来说也不存在这个问题，因为宾得是通过拨杆的方式机械调整光圈尺寸的设计，卡口内有拨杆，镜尾对应位置也有：

用手拨动它会让光圈张大，宾得K-1 II就是用这种机械式的操控来实现光圈的开合，又省掉了一个电子结构。

简单来说，HD PENTAX-D FA 15-30mm F2.8 ED SDM WR这颗镜头成像素质虽然相对一般，但耐用性一流，与K-1 II这种同样皮实耐用的机身组合可以实现出色的耐候性。而超广角单反镜头里有宾得15-30mm F2.8这种坚固耐用的，也有佳能16-35mm F2.8 III、适马14ART等等光学性能相当出色的。目前来看，无反系统已经成为各大品牌的发力重点，但不知大家是否有注意，即便是发力最狠的佳能，广角大光圈镜头也只停留在纸面阶段，尼康只有F4级产品，全画幅无反资格最老的索尼有16-35GM和12-24G（也只有F4），并且从结构不难看出：

16-35GM镜后距非常长，变焦到广角端时前镜组会往外伸出而后组位置不会有变化，这意味着它的设计并没有为短法兰距进行优化，所以严格来说真正的无反设计大光圈广角镜头目前依然是空缺。佳能此前有几个疯狂的专利，比如14-21mm F1.6，镜后距仅17mm，也就是甚至探入到了RF卡口机身内，第一片的有效直径就接近86mm，16片设计，毫无疑问的健身级产品；与之同宗的12-20mm F2因为反望远得更加彻底，整体设计也就更加“禽兽”，镜后距甚至不到15mm，前组更是超过了86mm并且总计20片镜片……当然，也有相对正常的16-32mm F2.8：71.5mm前组，21mm镜后距，17片镜片。
所以，虽然短法兰距对光学设计来说是“可短可长”，自由度变得更高，但目前相机市场的大趋势是重回专业化路线，主要设计目的是高像素输出时的低像差表现，这也就意味着必然会引入复杂的校正镜组，因此高端全画幅无反镜头健身化会成为一个明显的大趋势，尤其是需要超大直径负镜组的广角镜头，一定会向更大尺寸、更强性能的方向去发展。（当然，小光圈版就很可能走相对轻量化的设计路线）
那么，一定要是在无反时代才能有这种进步么？单反镜头，特别是单反广角镜头有没有机会呢？其实这个问题本质就是在问法兰距对广角镜头设计的影响有多大，其实早在上世纪五六十年代的旁轴与单反镜头对比里就已经能找到答案：用于大画幅相机的广角镜头起源很早，而且几乎都是基于对称结构设计，在那个光学设计基本靠手、材料加工非常粗犷的时代，对称设计的优点是前组产生的部分垂轴像差可以通过对称的后组有效校正，经典设计里大家熟悉的有Biogon、Hologon，对于旁轴全画幅镜头来说，可以参考1959年的尼康2.1cm F4：

采用对称型Biogon设计，大家可以注意看后焦点F’与最后一片镜片的距离，仅仅只有7.3mm，这种设计在旁轴广角上比较常见，甚至可以把相当部分的镜组深入到机身内，安装后反倒像是个饼干头：

而作为对比，1967年尼康F卡口单反镜头20mm F3.5的结构如下：

大直径负镜做前组，典型的反望远设计，可以看到它的后主面H’已经跑到了镜组外，后焦点F’与最后一片镜片的距离是38.3mm，安装外形也已经和现代单反镜头如出一辙，而之所以要做反望远设计的原因之一就是把镜后距往前推，为反光镜箱腾出空间，所以，几乎所有单反广角镜头都采用反望远设计，而且直观上也不难理解，相同焦距更大大光圈，或相同光圈更短焦距自然意味着更大的体型（尤其是前组），下图为无限远处对焦时大小光圈镜头的光线高度差，此时的入瞳径=光圈孔径：

同样根据上图，如果想要缩小焦距，就意味着需要更大的光线转折角度，需要使用缩小内镜组的光学间隔、采用高折射率材料、减小镜组曲面半径、增大镜组直径/厚度等各种设计的结合，往往焦距越短，光圈越大（两者满足其一）就越需要多个大直径负镜组建前组，所以结果也同样是走向大尺寸的方向，现代镜头里这种例子有很多，比如佳能11-24，适马14ART，来自材料学相对不发达那个时代的老镜头里，像尼康13mm F5.6、15mm F3.5s等等也都是经典代表。

那么随着我们来到了无反时代，是不是意味着反望远可以被抛弃了呢？显然不是！模拟工具的设计进步几乎完全取决于历史积累，放弃适应全画幅设计五六十年的反望远结构，对这些从单反时代摸爬滚打过来的的巨头而言是不可能的，哪怕索尼的光学部门也是基于胶片时代美能达的积累。
当然也不是没有例外，像是主攻旁轴的品牌就无所谓了，比如徕卡M在数码时代也依然很有地位，而21mm F1.4 ASPH这种广角镜头采用的依然是对称型结构设计：

事实上，短法兰距时代对广角镜头的设计来说最重要的是放开了“必须要将镜后距做大”的束缚，这意味着两种结果：1、做与单反版本近似的性能不再需要特别庞大的体型，甚至还可以更小巧；2、可以用更变态的设计来实现以前没有达到过的高性能/高规格（所以才有前面提到的那些疯狂专利），反望远在无反时代也将会是广角镜头的必然选择之一，而且设计上限也会超过单反结构。
不过无反时代镜后距较短，所以也需要新的设计点来解决一些问题，首当其冲的就是斜射，传统对称型超广角甚至需要特殊设计的渐变滤镜，来均衡过亮的中心和偏暗的边缘区域，下面是个只画了部分光路的简化模型：

很明显，镜后距越短，越靠近边缘的光线出射与传感器之间夹角就越大，导致量子效率下降，降低边缘信噪比和动态范围。而解决方案其实也很简单，只需要让它尽量呈像方远心设计就OK：

这其实是个双远心的图，不过不妨碍理解，解决斜射就需要前组收敛+后组平缓的设计，让系统出射光线以较小的夹角投影到传感器上。从设计结构来说就是两个点，较大直径的后组和较大直径的卡口。听起来有点像在吹佳能……但事实上RF这一点确实是做对了的，而且它必须这么做，因为佳能至少这一代全画幅无反所用的传感器设计相对落后，基本相当于刚刚进入索尼Exmor的时代，连背照都还没用得上，并且对边缘主光线斜射的微透镜偏移量比较小，所以如果不采用大直径后镜组来减小斜射，结局就会像老蛙15mm F2.0 RF版全开时那样暗角大到升天：

而且不难理解，越是广角，影响就越明显，不过对于使用索尼传感器的机型来说，一则背照设计的普及让开口率理论上提升到100%，量子效率明显增强，因此动态范围够大，强吃也没问题，二则微透镜偏移针对较大角度斜射进行了改良。所以斜射产生的问题就要小不少，对大直径后组的设计积极性相对不高，而且往悲观了说，会增大后组的光线高度，也就意味着系统像差，比如球差就会随之增大，要知道轴外像差除了场曲之外，彗差、像散、畸变等均由辅轴球差引起，如果加入不同波长色光所引发的色球差，情况就更为复杂，所以必须要突破设计并拼命堆料，进而增大了对材料和装配公差的依赖。但如果往乐观了说，设计空间变得更宽松了，会更容易涌现出以往没出现过的新规格。当然这两个方面都会产生同一个副作用——成本高昂，让大家直呼买不起……
至于卡口，很多人问过我卡口直径是否对器材系统有明显影响，目前来说这是个杞人忧天的问题，Alpa全画幅胶片机卡口甚至只有42mm，都没办法完全覆盖43.2mm的全画幅，但它依然有100mm F2、150mm F2.8这种规格的镜头。理论上对小卡口限制较大的是大光圈人像镜头和超长焦大白炮，但如果对历史有一定常识的应该知道，即便是在望远结构还没有出现的时代（二战前），就已经有正负镜各一组成的2片（你没看错，我也没写错）1组长焦镜头，比如Carl Zeiss Jena Fernobjektiv 500mm F8：

类似的设计在1950年代还有M37卡口的Takumar 500mm F5，这些简单的超长焦镜头无限远处对焦的入瞳径都远远超过了卡口径，后续加入望远结构设计4片4组型更是可以达到500mm F4.5：

有兴趣甚至可以自己用近摄镜（正好是一正一负镜胶合而成，1000/屈光度=有效焦距）+延伸筒（满足足够长的镜后距）+皮腔（对焦模块）+卡口接环做一个，所以，卡口直径对设计的限制远没有传说中那么夸张，而且就说现代镜头，像索尼E这种46.1mm的小卡口也都已经做出了400mm F2.8、600mm F4、85mm F1.4等超大入瞳的镜头，素质都相当不错，背后最大的功臣就是不断进步的光学材料，大家也就不要跟风拿卡口直径说事儿了……。
至于价格，以400mm F2.8为例，虽然看上去国内索尼要贵一万多，但事实上在BH、Adorama、Amazon等欧美电商上不难查到两者的价格都是12000美元左右，所以大家也应该认识到：地区销售策略对价格的影响远大于材料成本，单纯用价格来说明产品A比产品B成本高是不合理的。
关于广角镜头及其延伸话题罗里吧嗦了不少，感谢各位耐心阅读。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0MXoOG7g
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