鏡頭設計(鏡頭設計的要素包括什么)

今天跟大家聊幾個應該是很容易讓人產生疑惑的鏡頭設計問題，雖然單純看光學鏡頭已有數百年歷史，但真正走上井噴式高速發展道路還是在近十余年，這里面不僅有材料上的進步，也有因圖像傳感器性能不斷提升而激發的新結構思潮，當我們正處于一個傳統與新意交接的時間點時，歷史遺留就既可以說是財富也可以說是累贅了，這取決于當時所處的具體環境具體分析，今天說的這幾個疑問也同樣如此。

那么，話不多說，切入主題吧。

第一問：F0.95為什么不能做自動對焦

在36mm x 24mm全畫幅相機鏡頭歷史上，自動對焦的最大光圈是佳能EF 50mm F1.0所創造，而與它差別非常小的F0.95為什么不能做自動對焦？這主要得從結構來說起，EF 50mm F1.0的結構如下圖：

除此之外徠卡Notctilux 50mm無論F0.95還是F1.0也都是類似設計：

上為Noctilux 50mm F0.95，下為F1.0：

這些超大光圈標頭都是很典型的非對稱雙高斯設計，而雙高斯設計基本都是靠移動整個鏡組來進行對焦，但佳能50mm F1.0這顆鏡頭有幾個特別之處，首先是它采用的是與85mm F1.2相同的電動對焦，除了最后1片之外，其余10片鏡片在對焦時都會向前移動，內鏡筒會伸出（作為對比，EF 50mm F1.2則是在鏡身內部移動，所以擰上濾鏡就成了內對焦），所以外形上長得也更像85mm F1.2。其次，雖然都是非對稱雙高斯，但佳能的F1.0版比F1.2鏡片更多、鏡片尺寸更大，這都是為超大光圈校正像差而必需的設計。

這時候再回頭想想，為什么要用電動對焦？其實就是為了推動厚重的全鏡組（特別是在手動模式下，可以起到助力的作用），因為無論50mm F1.0還是85mm F1.2體型都在1公斤以上，比起其他焦段或小光圈鏡頭只需要移動部分鏡組（或者質量更輕的整組）甚至單塊鏡片就能實現對焦來說，F1.0對自動對焦馬達的驅動力要求要高很多，但即便如此，大家也應該知道85mm F1.2對焦是出了名的慢，這還是扭矩強大的環形超聲波馬達“僅僅”只需要驅動7片鏡片的前提下，所以簡單來說，F1.2幾乎單反定焦鏡頭的一個分水嶺，超過這個數值即便是沿用經典設計，實現自動對焦也具備極高的現實難度。

更具體的是，雙高斯在超大光圈下可謂疲態盡顯，即便是徠卡Noctilux系列也不例外，全開時滿屏幕都是幾乎完全不受控的球差、色差、彗差……

花了遠超常規50mm大光圈定焦的價格，卻只能買這種畫質的玩意兒？這也是為什么新一代超大光圈定焦鏡頭不再堅守傳統設計的重要原因，而且第一個下手的就是蔡司Otus系列，要知道蔡司的元祖級大神Paul Rudolf就是雙高斯結構的締造者，雖然今天的蔡司早已不是當年的蔡司，但在敢打敢闖方面依然是底氣十足，Otus 55mm F1.4最大的特點就是將前組為凹透鏡的反望遠設計用到了標準鏡頭上，所以它的全名才叫APO Distagon 1.4/55，一舉把大光圈標頭的畫質上限拉到了一個全新的高度。

蔡司原廠不做自動對焦主要是商業因素（索尼E和富士X就有自動對焦，當然你要說血統的問題那就是另一個話題了），佳能和尼康并沒有授權給日本本土之外的公司生產自動對焦鏡頭。對于光圈突破F1.2的新設計鏡頭來說，自動對焦面臨的問題依然是對焦馬達驅動力、精度、速度等幾個方面，以尼康58mm F0.95來說，從這張圖不難看出：

它的鏡身直徑跟Z7機身高度幾乎相同，即便結合這張照片的透視來看，直徑也是接近100mm的水準，這意味著內鏡組的最大直徑會在85mm甚至更大，如果能做后組對焦，比如尼康去年提交的58mm F1.4鏡頭專利里就利用了后兩組移動對焦設計，或許還能努努力做做自動對焦，但從對焦環的位置來看，58mm F0.95很可能依然是前組對焦，那么問題就又回去了，F0.95的對焦精度需求可不是開玩笑的，慢可以，至少要準，對于超聲波馬達而言，增加運作速率能調的地方不多，對形狀、材料、壓電陶瓷設計、算法都有很高的要求，而且還得是在有限的空間下搞定，這些方面都需要從商業角度去進行權衡，在舍棄這一切后的手動對焦也要6000美元（超過40000元人民幣）的前提下，瘋狂上自動對焦值得么？

所以超大光圈定焦鏡頭不做自動對焦，有硬件上的原因，更有營銷方面的考慮，因為定位太高，這個趨勢應該會在很長時間內延續下去。

第二問：超大光圈變焦鏡頭會怎樣發展？

在佳能RF 28-70mm F2推出之后，超大光圈變焦鏡頭應該會形成一波潮流，結構上的方案在此前已經有過討論，在這里就不復述了，佳能最近又推了一個新專利方案——14-21mm F1.4：

大致說一下，第一片85mm大直徑的彎月形凹透鏡、第二片55mm的彎月形凹透鏡、第三片47mm雙凹透鏡的第一面均為非球面，也就是整個系統的第1、3、5面為非球面，除此之外最后一面也是非球面，雖然不知道具體的工藝，但單就第一片就不會便宜。U1和U4都是凹透鏡組，換言之這顆鏡頭的光線追跡是負正負正兩次彎折，所以整個U2以及UR的第二三組會出現特殊鏡片來校正像差，其中最后一組出現了一個“OE”標志，這是一個特殊的光固化樹脂粘合層（有點類似BR），因為具備很高的異常分散性特質，設計在這個靠近傳感器的位置有助于消除二級光譜，但這個它也會惡化廣角端的軸向色差。

從計算結果來看，廣角端球差和像散收斂較好，但桶形畸變很明顯，色差則是在長焦端表現更出色。

這顆14-21mm F1.4變焦鏡片是結構圖中的U2、U3，并聯動光圈一同移動（但變焦中各自位移量不相同），換句話說這是一個內對焦鏡頭，對焦組是U4，整個鏡組的專利設計長度為191mm，這是一件很有趣的事情，191mm意味著跟EF 70-200mm F2.8幾乎相當（199mm），當然往往從專利到量產會有數值差，但整體方向不會有太大變化，而RF 70-200mm F2.8已經確認為外變焦，長度可以做到非常小巧的水平，在以前的文章里曾提到過焦距越靠近法蘭距就越容易做大光圈或做小尺寸，但兩者難以兼得，更何況還是變焦。

14-21mm F1.4還不知道最終是否會以此規格成型，但至少告訴了大家一個事實：在短法蘭距的無反時代，廣角端大光圈化設計是相對容易的，單反要保證足夠長的后截距（14-21mm F1.4僅僅17mm）就意味著需要更大幅度的反望遠結構，體型幾乎無法收斂……至于有朋友提出14-21mm F1.4這種神仙鏡頭有沒有人買的問題，那倒不是我關心的范疇……我相信佳能應該也不太關心，畢竟秀肌肉占山頭的意義更大。

第三問：長焦大光圈能不能做小型化

長焦鏡頭但凡涉及到大光圈，往往就意味著高高在上的價格和無比龐大的體型，有沒有辦法在保證大光圈的情況下實現小型化、輕便化呢？簡單來說其實是一個材料學的問題，佳能400mm F2.8/600mm F4三代，以及索尼400mm F2.8都是很好的例子，它們的主要設計理念就是將原本位置靠前、直徑較大的鏡組往后移動，用直徑較小的鏡片替代。

上為EF 400mm F2.8二代，下為三代，差別很明顯：

這個設計的特點就是第一片凸透鏡遠遠處于光軸前方，因為在望遠結構中，當鏡片光學性質一定的情況下，焦距越長，位于前列的凸透鏡尺寸就越大，鏡片間的距離也越遠，在上世紀五六十年代的簡單望遠結構里這種設計很常見，比如一顆500mm F7的結構就是下面這個樣子：

非常簡單的前2片復合凸透鏡，后2片復合凹透鏡，這就是最基本的望遠設計，想做大光圈也沒問題，把前組做大就是了，但鏡組間為什么要做這么大的間距？通過理想光學系統復合鏡片焦距公式F=FaFb/Fa+Fb-d可得，在A鏡片焦距Fa與B鏡片焦距Fb恒定的情況下，鏡片間距d越大，復合鏡組焦距F就越大，所以對于動輒400mm以上的長焦鏡頭來說，內鏡組之間出現較大間距的設計是有理可依的。

而且第一片鏡片需要使用較高折射率的低色散鏡片以盡量縮小長度，第二片開始大幅收小直徑也意味著必須采用高折射、低色散、高異常分散性結合較好的新玻璃種組合，才能實現最終的高性能輸出，因為沒有公開資料所以也沒辦法分析，但從結果來看，材料的進步是長焦鏡頭輕量化的根源（碳強化鎂合金鏡筒也是如此）。

不過就算是這種新設計，鏡頭的絕對重量依然高高在上，400mm F2.8也還有2800多克，前組口徑足足有163mm，那該怎樣繼續改？騰龍在2017年曾提出過紙面解決方案：

這是一顆設計規格485mm F4全畫幅鏡頭，這顆鏡頭最大的特色就是全鏡組中最大直徑鏡片，也就是第一片只有64.5mm。作為對比，適馬500mm F4的第一片幾乎頂滿了144mm直徑的鏡筒，第二三片直徑也相當大，后組的距離相對較遠，綜合來看設計思路與前面提到的EF 400mm F2.8等鏡頭類似：

也就是說，騰龍500mm F4專利的整體直徑會相對大幅縮小，而且整個專利最著重強調“成本”二字，簡單來說就是一個低折射率低色散的G1前組，比如第一片BSC7雖然是研磨硝材，但并不是玻璃廠重點推薦牌號，性能中規中矩，符合做大尺寸后的低成本述求。然后配合2個小直徑高折射率后組G2、G3，特別是G3，別看這四片尺寸小且曲率半徑總體偏大，但基本都是折射率1.8以上的高折射透鏡，比如NBFD11、FDS90-SG、FD225、TAFD5G/F等牌號，所以即便最大的一片直徑也不過17mm，整個G3的焦距也有395mm，這一組阿貝數普遍低，部分色散比數值較高，全開光圈的計算性能如下圖：

上圖為騰龍500mm F4光學性能表，下圖為適馬500mm F4，可以看到適馬的球差收斂非常明顯強于騰龍，像散幅度差不多，適馬變形更小，遺憾的是適馬專利沒有給出色差規格，但騰龍專利的表現并不算特別好。所以超長焦大光圈鏡頭不是不能做小，更重要的還是在當前材料下，小與性能很難兼得。

除此之外，騰龍這顆500mm F4專利125mm左右的后截距比較長（適馬500mm F4后截距75mm左右），配重設計需要花點心思。

長焦小型化還有一個思路就是采用衍射光學元件，它能有效縮小長度，現代長焦鏡頭鏡片數量繁多的最大目的是消除像差，衍射光學元件表面是微米級的光柵結構（從側面看就是菲涅爾透鏡形式的“鋸齒”狀），它的最大特性就是將普通折射透鏡折射率隨波長變短而增高（也就是藍光折射率高于紅光），反過來變成折射率隨波長變短而降低（也就是紅光折射率高于藍關），這時候只要在衍射光學元件后接一片折射率與之匹配的透鏡就能實現色差校正，大致原理如下：

所以從校正像差的角度來看，衍射光學元件是一片頂多片常規透鏡的存在，可以明顯縮小長焦鏡頭的長度，當然它也有眩光等缺點，但不在今天討論范疇內，就不延展了。

騰龍方案沒有使用螢石，也沒有使用衍射光學元件，鏡組的設計長度是420mm，整體思路是為了在盡量低的成本下實現長焦大光圈，當然，前提可能是犧牲一點成像素質，除了500mm F4之外，相同的設計思路騰龍還提交了300mm F2.8和400mm F4這兩個方案，雖然不知道這項專利最終有沒有機會落到實處，但至少證明廠商是有在向這個方向思考，就慢慢等待吧。

本來還有別的問題，但寫下去可能沒完沒了了，就此作罷吧，有疑問歡迎移步評論區，順祝我那比熊貓還珍稀的女粉絲們女神節快樂啦……