聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

毫無疑問,RF 28-70mm F2是一顆劃時代的產品,為了將標準變焦鏡頭的最大恆定光圈增加一檔,在原料、裝配、體型等各方面時都面臨了相當大的現實阻力,但即便如此,它依然作為RF系統的首發鏡頭面市,而大家對於這顆鏡頭應該多多少少會有一些疑問,那今天就用問答的形式來完成這篇文章吧。

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

問題一:變焦鏡頭恆定F2意味著什麼?

恆定光圈變焦鏡頭的設計核心就是在鏡組內部移動時,焦距與入瞳徑的比值是恆定的,難點在於鏡組搭配、焦段選取和體型控制,需要相對更復雜的設計和製造工藝,但對於目前已經非常成熟的光學鏡頭產業來說,技術方面已經不再是瓶頸,不過成本的差異足以讓恆定與非恆定存在明顯的價差。而F2.8長時間作為變焦鏡頭的最大恆定光圈,基本都是為體型與成本而妥協,哪怕是中畫幅鏡頭,等效光圈換算後也幾乎都在F2.8附近徘徊,所以做到F2真的是既需要技術實力也需要市場魄力。

佳能並不是史上第一個把變焦鏡頭做到恆定F2或更大光圈的品牌,適馬24-35mm F2 DG HSM才是第一款針對全畫幅的F2光圈變焦鏡頭,與之類似的還有針對APS-C畫幅的適馬18-35mm F1.8 DC HSM、50-100mm F1.8 DC HSM。那麼適馬是怎麼做到的?其實這顆全畫幅大光圈變焦鏡頭的設計是比較取巧的,它的後鏡組,也就是下圖紅色框選的部分,實質上一個減焦組:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

18-35mm F1.8 DC HSM也是相同的設計:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

這一組是一個凸透鏡組,如果用過增倍鏡的話應該知道本質上增倍鏡是一個後置的凹透鏡組,它的特點是增長原鏡頭的焦距f,與此同時因為它位於後組,所以入瞳徑D並不會變化,結果就是焦距f/入瞳徑D=光圈F值隨之增大(從光輻射強度的角度來看,你可以理解為凹透鏡發散了光路,降低了光強)。而減焦組的功能與增倍鏡相反,它會縮短整組焦距,同樣因為光闌在前組,入瞳徑不受影響,焦距f/入瞳徑D=光圈F值隨之變小,直觀的理解就是光線收束,光強增大,可以結合下圖來理解:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

減焦組的設計讓廣角端大光圈變焦的實現變得相對比較容易,而且不需要極大口徑的前組,適馬24-35mm F2 DG HSM以82mm前口徑就實現了大光圈的目的,像場更小的18-35mm F1.8 DC HSM甚至只要72mm。

事實上在今年1月,佳能就針對兩顆新鏡頭:APS-C畫幅18-55mm F2.8和全畫幅34mm F1.4申請了包含減焦組的專利方案:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

上圖為18-55mm F2.8原鏡(ML)和帶後置減焦組(CL)的結構圖,下圖為34mm F1.4:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

這兩個減焦組的設計思路是一致的,18-55mm F2.8對應的是0.65倍減焦,減焦後變成11.38-34.68mm F1.82(原鏡組設計規格為17.5-53.35mm F2.8),而34mm F1.4的減焦組為0.7倍,減焦後為23.92mm F1.02(原鏡組設計規格為34.2mm F1.45),而且這種定製設計的減焦組對性能幾乎沒有影響(從專利數據來看甚至有利於像差校正),不過減焦組也會同步縮小像場,比如34mm F1.4原像高是佳能全畫幅標準的21.64mm,在減焦組減焦後像高縮小到了15.14mm,變成了APS-H畫幅鏡頭。

因此原生後減焦組的全畫幅鏡頭,前組像場餘量必須夠大,才能保證最終能夠完整覆蓋全畫幅,這也是為什麼佳能RF 28-70mm F2沒有采用這種設計的理由,因為在覆蓋全畫幅像場的情況下最大焦距來到了70mm,如果用後減焦組設計,鏡組複雜度和體型會很難控制(18-55mm F2.8專利包含減焦組後就足足有23片,如果是全畫幅像場且焦段覆蓋28-70mm,只會更加一發不可收拾)。

在這種情況下,佳能用的是另一個解決方案——物理增粗。這可以說是相當簡單粗暴的方案了,如果你仔細對比RF 28-70mm F2和EF 24-70mm F2.8的鏡組規格,不難發現它倆的設計思路相當接近,RF 28-70mm F2是13組19片,EF 24-70 F2.8mm是13組18片,雖然後組有一些細節設計調整,但內部整體方向是一致的:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

兩者最大的區別是鏡片尺寸有著明顯的不同,RF 28-70mm F2的鏡身最大直徑達到了103.8mm,長度139.8mm,重量1430克,濾鏡95mm!而EF 24-70mm F2.8最大直徑僅僅88.5mm,長度不過113mm,體重也只有805克,濾鏡“僅僅”82mm。RF 28-70mm F2通過大幅增加鏡片尺寸的方法來實現入瞳徑的增加,類似的方法適馬也用過:適馬14mm F1.8與佳能14mm F2.8在結構上也是同類設計,但為了實現更大光圈,適馬14mm F1.8體積也大幅增加。還有50-100mm F1.8 DC HSM,作為一顆APS-C畫幅鏡頭,它的體型已經達到了佳能70-200mm F2.8 IS III的級別,這都是大尺寸健身化設計的大光圈產物。

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

當然,通過增大直徑來實現變焦鏡頭光圈上限的突破,背後的功臣就是光學材料的進步。從照相機物鏡設計的角度來看,使用高折射率低色散的凸透鏡可以在減小系統高級像差的同時,增大相對孔徑。減小高級像差的原因在於在要求校正場曲的條件下,提高凸透鏡折射率可以使系統中凸凹透鏡光焦度同時減小,即便是早部分設計下光焦度不變,但透鏡表面曲率半徑也可以增大,這些特性對於減少高級像差都是有利的。

從歷史角度來看,以經典的凸凹凸結構三片式鏡頭為例,兩片凸透鏡在使用1.5折射率K類冕牌玻璃時相對孔徑只能到F5,換用1.6折射率ZK重冕玻璃後可以提高到F4,而使用折射率1.7的LaK鑭冕玻璃後會提高到F2.5……雖然高折射率也會帶來高色散的問題,對校正提出了更高要求,但新品種光學玻璃的出現是促進照相機鏡頭髮展的重要因素,對提高光學特性和成像質量意義重大。

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

問題二:為什麼廣角端只做到了28mm

很多人都在好奇,為什麼不是RF 24-70mm F2?單純看24mm定焦,做到F1.4也並不會讓體積變得一發不可收拾,只看85mm F1.8體型甚至可以相當小巧,原因在於定焦系統往往都有定式可尋,比如24mm可以在Biogon或Distagon的基礎上設計,85mm可以在Sonnar的設計上改良,而一旦涉及到變焦,就意味著這一套鏡組要通過鏡片位移來實現焦距的變化,同時兼顧恆定光圈,更重要的是還得保證整個焦段的像差校正,這無疑會對綜合設計帶來相當大的挑戰。

前面提到了RF 28-70mm F2一定程度上借鑑了EF 24-70mm F2.8的設計體系,事實上這種借鑑現有專利資料一直都是主流設計思路,變焦鏡頭的設計一般分為2個階段,第一階段是根據焦段、畫幅、光圈、變焦/對焦組移動範圍等規格來計算外形尺寸,當28mm都做到前鏡組95mm才能做到恆定F2時,如果要做到24mm,則意味著更大尺寸的凹透鏡前組才能實現更大的廣角,同時還得繼續增加其他鏡組尺寸,這對材料是一個比較大的挑戰,像差校正難度又會繼續升高,如果真做到24-70mm F2,體型和價格都會更上一層樓。

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

而變焦鏡頭的第二個設計階段是像差計算,根據外形尺寸計算得到的每個透鏡組的光焦度和孔徑,選定透鏡組的結構型,然後按等比級數取出數個焦距位置,改變前固定鏡組(內變焦設計)和變焦鏡組結構參數,來使這些不同焦距位置的前鏡組像差儘量保持在一個小範圍內,然後取每一種像差的平均值,以此為依據調整後固定鏡組規格進行校正,達到各個焦段像差校正效果近似相同的目的。因此借用現有成熟結構來縮放改型,不失為一種穩妥的設計思路,也能減輕RF 28-70mm F2在增大孔徑後的像差設計壓力,但即便如此,大尺寸鏡片的使用讓它的綜合像差表現只能說是喜憂參半,接下來就通過實拍來進行分析。

問題三:它的性能究竟如何?

其實這是一個很有意思的問題,28-70mm F2究竟能帶來什麼?是虛化麼?確實,F2比F2.8要強一點:以70mm F2拍攝40cm左右的小品時 ,總景深只有0.32cm,而F2.8則會增加到0.46cm,一眼看去差別就比較明顯:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

上圖為F2,下圖為F2.8:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

從背景物體不難看出F2的虛化程度更勝一籌,但同時也能看到F2全開時會有很明顯的暗角。而且這種虛化程度比起動輒F1.8、F1.4甚至F1.2的定焦鏡頭來說依然是明顯落後的,與此同時 28-70mm F2的光斑測試表現也並不算特別好:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

一、有因非球面鏡片而導致的洋蔥圈,而且還很明顯,光斑效果欠佳;二,邊緣存在綠色色環,說明有一定的軸向色差,這一點可以通過實拍圖一眼便知:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

雖然料堆得很猛,但二級光譜並沒有很好的校正,並且儘管有95mm的超大口徑,但靠近邊緣位置的光斑依然存在很明顯的口徑蝕(實拍表現之一就是前面的F2樣張暗角):

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

這也就導致同樣的場景、同樣靠近邊緣的位置,F2與F4光圈的實拍虛化就有如此明顯的差別:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

所以嚴格來說,RF 28-70mm F2雖然虛化等級提升了,但虛化表現並不算特別出色,即便是單論景深,如果不刻意對比拍攝的話,幾乎不可能看出F2和F2.8的區別。理論上的唯一優勢是大一檔光圈可以降低一檔感光度,從而提高弱光表現。但至少我手裡的這顆是存在一定程度像散,靠近邊緣區域的焦內點光源已經呈現出十字型形態:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

像散的影響在實際拍攝中也是很明顯的,下圖的對焦點在100米左右,理論上28mm F2從11.6米到無限遠都處於景深範圍內,但明顯在11.6米之外的邊緣區域出現了很明顯的成像不實,可以看到燈箱文字出現了重影,換言之這並不是一顆特別適合拍攝星空的鏡頭:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

接著再說分辨率,因為照相機物鏡的分辨率上限在系統孔徑確定後就確定了,實際能達到多少主要取決於像差校正,同時也受制於與其搭配的相機傳感器性能,在F2全開的情況下,RF 28-70mm F2的分辨率表現只能說是中規中矩,收縮光圈會有非常明顯的改善,以70mm F2為例,完整圖像如下:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

取對焦位置(手動對焦)截圖100%放大:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

F2時受像差影響,印刷紋理細節反差呈現較小,收縮到F2.8之後明顯好轉,F4又會繼續稍稍提升一點。可以說RF 28-70mm F2的最大光圈表現並不算特別好,相對於RF 50mm F1.2來說稍稍差了一點驚豔感,並且這顆鏡頭雖然把佳能的ASC/SWC兩大鍍膜技術都用上了,但19片鏡片在面對強光源時依然會出現非常明顯的眩光鬼影:

聊聊變焦鏡頭的大光圈設計,佳能RF 28-70mm F2解析

變焦無處不在的妥協所形成的不足,即便是豪華用料也很難彌補回來,所以從成像素質的角度來看,RF 28-70mm F2相對容易讓人失望(當然,主要是很多人一開始的期待太高,也可以說是對它的要求太高,但誰讓你價格如此誇張呢?)。

那麼,28-70mm F2的優點究竟是什麼?理論上變焦的主要目的是提供便利,有F2自然是錦上添花,為了實現F2也確實花費了不少工夫,但在體型上失去了便利性的同時,性能也很難說達到了很高的高度,可見變焦鏡頭突破常規所要付出的代價有多高。綜合來看RF 28-70mm F2更大程度的意義是佔一個名義上的山頭,畢竟這是原廠唯一的全畫幅變焦恆定F2,比第三方早就實現的手動對焦F0.95標頭要震撼得多,不遺餘力的打造這樣一顆鏡頭更重要的目的是秀一秀肌肉,真正打頭陣的還得是接下來的F2.8大三元(RF 24-70mm F2.8在性能上有一定機率會超越RF 28-70mm F2)和85mm F1.2 DS,當然,如果你跟我一樣有收集強迫症,再假設對性能和體型沒有那麼挑剔,獨一無二的RF 28-70mm F2依然是RF系統中最值得入手的一顆,沒有之一。

相關推薦

推薦中...