這次也不是牙膏,萬金油型F2.8變焦鏡頭設計解析

玩機小胖 發佈 2020-01-16T04:11:50+00:00

而在鏡頭產品中,24-70mmF2.8無疑是各家大三元甚至是全系高端鏡頭裡保有量最高的那一支,從刺激市場的角度來看,無反版24-70mm F2.8上高規格是勢在必行,而佳能確實也正是這麼做的,其中最重要的變化就是RF版24-70mm F2.8一上來就解決了EF版用戶多年的述求——

前幾天佳能相當於「官宣」了EF卡口鏡頭暫停研發的消息,而且是在剛發布EF新旗艦1DX3的情況下如此表態,已充分表露單反巨頭轉型無反的態度。其實大家應該都很清楚,無論佳能尼康,鏡頭產品線的布局已經十分成熟,甚至可以說接近飽和,連年下滑的市場頹勢足以說明問題,所以從營銷的角度來看,亟須新產品線來刺激市場。

而在鏡頭產品中,24-70mm F2.8無疑是各家大三元甚至是全系高端鏡頭裡保有量最高的那一支,從刺激市場的角度來看,無反版24-70mm F2.8上高規格是勢在必行,而佳能確實也正是這麼做的,其中最重要的變化就是RF版24-70mm F2.8一上來就解決了EF版用戶多年的述求——光學防抖。無反時代佳能在機身防抖上慢了一步,所以光學防抖的加入也是大勢所趨,只是感覺有點老用戶不如X,因為真不是加不上去,就是商業策略的問題……

上圖為RF版,下圖為EF版:

先來說說與EF版在光學設計上的變化吧,一般來說光學系統設計求解主要有2個思路,第一是藉由同類型的成型設計進行縮放優化,缺點是設計指標的適應性差,但優點是容易上手,比如RF與EF版24-70mm F2.8光圈前的部分就相當形似(事實上很多此規格鏡頭都是這類前組),都是3片正組+6片負組的組合,乍一看面型傾向性差不多,區別在於在光束由收斂向發散轉向的位置,RF選擇了UD而EF選擇了非球面,各有優點,其實如果能用上RF 70-200mm里的那種非球面UD複合設計就兩全其美了……總體用料上兩者差別不大,EF版多了一個超級UD(可近似理解為人造螢石),以及其中一片非球面為研磨拋光工藝,但RF版有光學防抖和ASC鍍膜。

而光學系統求解的第二種方法是使用近軸高斯光學和像差理論求初始解,缺點是計算量大且對設計師經驗有依賴性,但優點是方法靈活且適應性強,更容易達到設計目的,這也是RF與EF 24-70mm F2.8光圈後組設計不同的原因。相對來說,RF 24-70mm F2.8的設計是典型求高解析度的設計,先是一個帶UD的消色差膠合正鏡,緊接著負焦距防抖組又帶了非球面擴束,然後是一個UD+消色差膠合+非球面的正鏡組合,這裡的UD比較關鍵,如果不上高異常分散材料就很難校正長焦端的軸向色差和廣角端的倍率色差,除此之外它的焦距也需要合理選擇,過短會導致長焦端球差變大,過長則不利於校正前述色差。

這一組後又是用於對焦的單片負鏡,再緊接最後一組帶非球面的正鏡組,至此,僅後組就有足足連續5次轉向,且每一次轉向都會伴隨校正手段,再加上除了最後一組之外的焦距都相當短,設計十分緊湊,對公差的依賴度高,冷加工和裝配都有一定的難度。而且實際上後組的設計關鍵是最後一組,特別是最後一片,它必須是正鏡(因為要收束),也必須是高折射率材料,如果折射率低,一來難以消除長焦端前組過校正的倍率色差,同時也很難抵消前組匹茲凡場曲的負分量,而且還要加大厚度。並且為了較好地消除場曲和球差,它的面型也有比較嚴格的限制……可以說這不起眼的一片在整個系統中起到的作用十分巨大,反過來說也是決定性能的關鍵。

此前有朋友問我為什麼很多鏡頭結構圖里看起來好像有不止一個光圈,比如EF 24-70mm F2.8,其實它前面那個開孔較小(但實際上可變)的光闌是輔助光闌,設計目的是為了在變焦過程中補償光圈尺寸,並在不同對焦位置時縮放尺寸以阻擋在設計需求之外的邊緣光線,進而減少球差等像差。

事實上有的鏡頭足足有3個光闌,比如上圖的EF 16-35mm F2.8 III,再多出一個的目的既是為了更好地滿足變焦時的光圈補償和像差補償,同時也能起到消雜光,減少眩光鬼影的效果。不過隨著機械設計和鏡筒內壁加工技術的提升,多光闌的需求也在漸漸變小,所以RF版24-70mm F2.8就只有1個光闌,RF 15-35mm F2.8則減少到2個。

防抖鏡組的加入讓RF 24-70mm F2.8多了2片鏡片,而整個系統多出了3片,這意味著無論鍍膜技術再神奇,眩光鬼影也一個都少不了,所以直面強光源時需要結合遮光罩和取景角度來規避或者控制眩光的影響:

多出來的鏡片和機械構造會導致光學系統重量變大,但從沿軸厚度來看,EF版反倒比RF版多出近10mm,再加上新鏡頭一般會用新鍍膜,所以理論上EF版的T值會比RF版低一些。RF版在24mm收納狀態時的鏡頭總長比EF版多出約13.5mm,造成這一區別的主要原因是RF版的鏡頭群分組更細,導致組間空氣間距較大,估計接近60mm,而分組較少的EF版不會超過30mm,在各類數據相加之後RF版的總長就會更大一些。

而EF版對焦到70mm端需要伸出32mm,RF版只需要28mm,但整體長度依然要大約10mm,考慮到無反機身比單反要薄,所以EOS R+RF 24-70mm F2.8mm和5D4+EF 24-70mm F2.8在長度和重量上倒是沒啥差別。

RF 24-70mm F2.8的對焦設計改進也相當巨大,事實上整個RF大三元系列的對焦都採用了精簡化的思路,比如EF 24-70mm F2.8需要推動整個第二大組足足6片來進行對焦,因此使用了大扭矩、可快速啟停的環形超聲波馬達,而RF版因為鏡後距很短,因此可以則把對焦鏡片縮減為僅僅一片,放在鏡組靠後、光束高度較低的位置,不需要高扭矩的對焦馬達,適配體型明顯更小巧的NANO超聲波馬達+絲槓來直推,從而給其他電子和機械部件騰出了設計空間。

而且雖然官方並沒有宣傳,但RF 24-70mm F2.8的呼吸效應抑制能力相當出色,尤其是在70mm端,即便從最近到最遠都幾乎看不到視角差,可參考以下F22拍攝的GIF動態圖:

這一點比EF版要強很多,說明RF版在設計時做了優化。而在24mm端要稍微明顯一點,而且與RF 70-200mm F2.8一樣是最近對焦時有效視角增大/有效焦距縮小(其實EF 24-70mm F2.8也一樣):

但因為24mm端的最近對焦距離從EF版的355mm一下子縮短到了216mm,所以微距視角對RF 24-70mm F2.8來說也不是問題,70mm端最近對焦距離為374mm左右,比EF版的358mm要遠一點點),而且它沒有跑焦的問題,但前幾天發布的RF 70-200mm F2.8也已經把這問題解決了,算是皆大歡喜。

雖然在設計上已經做了諸多的優化,但變焦鏡頭的像差校正依然是很難做到均衡,軸向色差方面,在放大觀看情況下依然是肉眼可見的前紫後綠,特別是比較重點考察軸向色差的長焦端全開:


24mm廣角端全開的情況稍好,作為一款稍帶微距功能的鏡頭,廣角端軸向色差的控制也比較重要:


倍率色差的主要問題是無論廣角長焦,邊緣區域的消色差都做得不夠好,這在拍攝風光放大觀看時會稍微影響心情,但總體來說依然屬於可以接受的水平。

在光圈全開拍攝點光源時,哪怕極限邊緣區域也基本沒有受彗差與像散的影響:


在關閉機內校正的情況下,24mm有一定幅度的桶形畸變,可直接被觀測到:

而在70mm端則有輕微的枕形畸變:

不過因為畸變只引起成像變形而不影響清晰度,對沒有計量/測量需求的攝影光學器材影響不大,通過機內或軟體後期很容易校正,因此並不算什麼特別大的問題。

各級光圈的解析度方面,整個焦段中心部分的素質都相當高,長焦端F2.8全開基本就是最佳水準,廣角端縮F4就摸到天花板,相較EF版老大哥有一定的進步,這種設計也符合24-70mm長焦拍人像,廣角拍風光的應用述求,結合EOS R這種不那麼強調高解析度的機身也有還不錯的表現,甚至不比A7R3+24-70GM差。如若新一代6500萬像素機身傳言屬實,那RF 24-70mm F2.8屆時的解析度表現應該會更上一層樓。

不過它的邊緣素質相對弱雞,70mm長焦端主打人像的話倒還無所謂,反正都虛化了,但24mm端拍風光就要較真了,這時候即便是收縮到F8也並不會比F2.8好到哪裡去:

你能猜出誰是F2.8誰是F8麼?給個提示,從暗角的角度去猜。可見無論什麼光圈,在24mm端都存在疑似場曲和球差校正不良導致的結像不實。

24-70mm F2.8作為萬金油型鏡頭,長焦拍人像是家庭、婚慶、會議等主題的必備,比較考驗虛化效果,70mm F2.8實測如下:


很明顯,長焦端背景和前景光斑均受軸向色差影響有比較明顯的色環,同時背景光斑內部隱約可見非球面光程差導致的洋蔥圈,但9片光圈葉的形狀較圓,球差傾向於欠校正狀態,這意味著它的背景虛化二線性不會特別明顯,而且光斑亮度分布在同類鏡頭裡算是比較好看的。

除此之外,長焦端的口徑蝕也並不明顯,極限邊緣的光斑變形並不算嚴重,而且也不存在切口的問題:

光圈在收縮到F16左右就能有比較漂亮的18星芒效果了,而且光圈葉片的邊緣為弧形切面,因此星芒收束呈集中形態,較為美觀。

防抖是不得不測的一個部分,RF 24-70mm F2.8並不是此規格第一款帶光學防抖的鏡頭,騰龍、適馬甚至尼康都有搭載光學防抖的版本,但幾乎都因為光學防抖的搭載而導致翻車,但RF 24-70mm F2.8成像依然素質很出色,也體現了佳能在鏡頭設計上的實力。

首先,RF 24-70mm F2.8的防抖只有開關選擇,為混合式設計,在橫移機身追拍時防抖鏡片不會進行強制補償,所以可以準確拍出主體清晰,背景線性模糊的圖像,這與視場角更小而需要分檔位的長焦鏡頭有區別:

其次,它的防抖效果非常出色,實測24mm,F2.8,ISO 400000,0.8秒(以1/30秒為安全快門則意味著接近5檔補償)的極限弱光環境手持拍攝,出片率依然很高,雖然受噪聲影響較大,但100%放大也能看清細節:


70mm端以F2.8光圈拍攝小微距,即便是在夜間室內燈光照明的情況下,也可以放心把ISO下調到100,以1/5秒快門手持拍攝(以1/80秒為安全快門則意味著4檔補償),既能獲得銳利的焦內品質,也不受高ISO噪聲的影響,關鍵是出片率也很高,不是鐵手也能拍:


最後要給RF 24-70mm F2.8來個總結的話,作為萬金油鏡頭它是完全合格的,即便我挑了不少刺,但有一說一,這些小毛病並非它獨有,而且需要一定程度的數毛才能發現,綜合來看它的優點還是明顯比缺點多:全焦段都有很不錯的大光圈解析度、各種像差也都在合理範圍內,再加上防抖效果非常出色,極小的長焦呼吸效應也適用於視頻拍攝,均衡性很不錯。作為目前各家24-70mm鏡頭裡最貴的之一(與索尼24-70GM一個價),個人認為是符合其定位的,如果價格再鬆動一點的話,就更值得RF卡口新玩家上手了。

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