“貓頭鷹”的叫聲 兼談新型標(biāo)頭的光學(xué)設(shè)計(jì)

陳奇軍

“廣角”的標(biāo)頭來了

標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的最大優(yōu)勢(shì)是光圈大，不過，并非所有類型的光學(xué)結(jié)構(gòu)都能設(shè)計(jì)出大光圈的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。比如，庫克（cooke）鏡頭的最大光圈從來都沒有超過f/3.5，天塞（Tessar）鏡頭的最大光圈僅為f/2.8。單反相機(jī)要想擁有大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，似乎只有一種選擇，這就是被譽(yù)為“完美”設(shè)計(jì)的普拉納（Planar）及其變種。

然而，擁有大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的人都有一種體會(huì)：全開光圈下，這些所謂“完美”的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭成像并不完美，而且光圈越大越不完美，天底下似乎很難找到一款全開光圈令人滿意的大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

不過，蔡司Otus 55mm f/1.4APO Distagon“貓頭鷹”標(biāo)準(zhǔn)鏡頭正在改變?nèi)藗儗?duì)大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的不良印象。從中外媒體的對(duì)比測(cè)評(píng)結(jié)果來看，這款鏡頭的各種像差得到了很好校正，全開光圈下的成像效果與f/8光圈難分高下，以至于被一些媒體譽(yù)為“史上最佳”。但是，這只“貓頭鷹”恰恰沒有采用號(hào)稱完美的普拉納設(shè)計(jì)，而是單反廣角鏡頭為了回避反光鏡的無奈設(shè)計(jì)——“反望遠(yuǎn)”。不久，適馬公司也推出了一款“反望遠(yuǎn)”設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭——適馬50mm f/1.4 DGHbMArt。

大名鼎鼎的普拉納，是保羅·魯?shù)婪颍≒aul Rudolph）在1896年為卡爾·蔡司設(shè)計(jì)的一種鏡頭結(jié)構(gòu)名稱。這種光學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)過改良后逐漸演化為單反相機(jī)大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭和中焦人像鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在2012年之前，所有最大光圈超過f/2.8的單反相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭幾乎都是普拉納及其變種設(shè)計(jì)，普拉納和它的徒孫們“統(tǒng)治”標(biāo)準(zhǔn)鏡頭長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)。那么，普拉納帝國(guó)是怎樣稱霸全球的？“貓頭鷹”的叫聲是否預(yù)示著普拉納帝國(guó)的解體？

瞎子摸象之后

人類最早發(fā)明鏡頭時(shí)，完全沒有想到要預(yù)先設(shè)計(jì)草圖，而是跟著感覺走，即一邊手工研磨鏡片一邊觀察測(cè)量，直到認(rèn)為“恰好”為止。

卡爾-蔡司公司的早期歷史就是這個(gè)樣子?？枴げ趟鞠壬缒甑墓ぷ魇菫榇髮W(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家以及醫(yī)學(xué)研究生產(chǎn)顯微鏡。他在德國(guó)耶拿（Jena）的作坊里研磨鏡片時(shí)思考這樣一個(gè)問題：依靠這種瞎子摸象的方式只能是小打小鬧，永遠(yuǎn)也不可能做出一番大事業(yè)。于是，他找來了耶拿大學(xué)的物理學(xué)教授恩斯特-阿貝（Erest Abbe）?？?蔡司希望阿貝教授為他的顯微鏡生產(chǎn)事先設(shè)計(jì)一個(gè)草圖，以便讓顯微鏡能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)。二人后來又聯(lián)合光學(xué)玻璃專家奧托·肖特（Otto Schott），成立了卡爾-蔡司公司。此后，卡爾·蔡司的顯微鏡頭生產(chǎn)不再是原始的感性方式，而是走向了理性計(jì)算，從而也誕生了鏡頭史上的一系列傳奇設(shè)計(jì)，其中最有名氣的當(dāng)屬普拉納，讓我們重點(diǎn)看看這種經(jīng)典光學(xué)設(shè)計(jì)的前世今生。

高斯雙高斯

1817年，德國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾-弗里德里?！じ咚梗–arl FriedrichGauss）為了解決天文觀測(cè)時(shí)的色差問題，提出使用2片鏡片組合成鏡頭的概念。這2片鏡片的組合方式是：前為凸透鏡，后為凹透鏡。1888年，美國(guó)人阿爾萬一克拉克（Alvan G.Clark）發(fā)現(xiàn)，將兩組高斯結(jié)構(gòu)的鏡片背對(duì)背反方向組合起來作為望遠(yuǎn)鏡，可以取得更好的觀測(cè)效果，這就是雙高斯結(jié)構(gòu)（DoubleGauss）概念的由來。盡管后來產(chǎn)生了若干種“雙高斯變種”設(shè)計(jì)，但是它們都是從雙高斯的“正一負(fù)一負(fù)一正”4組4片對(duì)稱式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上演化過來的。

從理論上來說，這種對(duì)稱式設(shè)計(jì)，后組兩塊鏡片正好可以“完全”抵消前組兩塊鏡片所產(chǎn)生的各種像差。事實(shí)并非如此，由于高斯設(shè)計(jì)的正負(fù)鏡片之間的距離過大，再加上當(dāng)時(shí)缺乏更高折射率、更低色散的玻璃材料，所以導(dǎo)致軸外像差很難克服。

保羅·魯?shù)婪蛟跒椴趟竟驹O(shè)計(jì)鏡頭時(shí)，既看出這種對(duì)稱式雙高斯的優(yōu)點(diǎn)，也意識(shí)到其不足。于是他把雙高斯設(shè)計(jì)中的那兩片負(fù)透鏡加厚，使得正與負(fù)鏡片之間的距離減小，進(jìn)而降低了軸外斜射光線所造成的像差。不過，在保羅·魯?shù)婪蚩磥?，這種設(shè)計(jì)依然不夠完美，于是他把已經(jīng)加厚的負(fù)透鏡再分成兩片鏡片，然后再把這兩片鏡片膠合起來。這樣，原本4組4片的對(duì)稱式雙高斯，在保羅·魯?shù)婪蚴种凶兂闪?組6片的對(duì)稱式雙高斯。保羅·魯?shù)婪虻闹饕暙I(xiàn)在于對(duì)雙高斯結(jié)構(gòu)中的負(fù)透鏡組的改良，這正是普拉納的精髓所在。在魯?shù)婪蛟O(shè)計(jì)的這兩個(gè)膠合負(fù)透鏡組中，前面的凸透鏡采用的是低折射率、低色散的冕牌玻璃（crown glass），后面那片凹透鏡是高折射率、高色散率的火石玻璃（flint glass）。

從對(duì)稱到非對(duì)稱

保羅·魯?shù)婪虻钠绽{既改進(jìn)了雙高斯的缺點(diǎn)，又保留了其對(duì)稱式的優(yōu)點(diǎn)，但是英國(guó)泰勒和霍布森（Taylor & Hobson）公司的賀拉斯·李（Horace.w.Lee）認(rèn)為，這種完全對(duì)稱式設(shè)計(jì)也有明顯的缺點(diǎn)：魯?shù)婪虻钠绽{最大光圈只能做到f/4.5，而要想加大光圈，就要加大入瞳直徑（鏡頭光圈F值即入瞳直徑與焦距的比值）。于是，賀拉斯·李在普拉納設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加大了前鏡組的直徑，開發(fā)出名為“Opic”的非對(duì)稱式雙高斯鏡頭?！癘pic”的鏡片組合方式也是4組6片，很明顯是借鑒了普拉納的設(shè)計(jì)。

后來，卡爾·蔡司也推出了非對(duì)稱式設(shè)計(jì)的雙高斯鏡頭，不過命名依然是普拉納?？枴げ趟具€推出非對(duì)稱式雙高斯設(shè)計(jì)的比奧塔（Biotar）以及比奧美塔（Biometar）。二戰(zhàn)后，民主德國(guó)的“東蔡司”也開發(fā)出非對(duì)稱式雙高斯的潘考拉（Pancolar）。

利用非對(duì)稱式雙高斯設(shè)計(jì)，在50mm～90mm焦距范圍內(nèi)，容易為135相機(jī)設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的大光圈定焦鏡頭。由于這種設(shè)計(jì)源自對(duì)稱式的普拉納，因此非對(duì)稱式雙高斯設(shè)計(jì)也稱為“普拉納變種”

普拉納的征服

從上世紀(jì)60年代起，“普拉納變種”在單反標(biāo)準(zhǔn)鏡頭領(lǐng)域逐漸一統(tǒng)天下。除了普拉納之外，還有大名鼎鼎的施耐德之仙娜塔（Xenotar）。旁軸相機(jī)為了設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)大光圈鏡頭，也采用了這種“非對(duì)稱式雙高斯設(shè)計(jì)”。佳能公司為其7S型旁軸相機(jī)設(shè)計(jì)的50mmf/0.95超大光圈鏡頭就是一例。endprint

在鏡頭名稱中標(biāo)明光學(xué)結(jié)構(gòu)名稱是德國(guó)廠商一貫的做法，日本廠商則沒有這個(gè)傳統(tǒng)，所以從鏡頭名稱上無法看出日本品牌鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)。不過，自從上世紀(jì)50年代末以來，除了一些“餅干型”標(biāo)準(zhǔn)鏡頭采用3組4片的天塞結(jié)構(gòu)外（天塞結(jié)構(gòu)光學(xué)長(zhǎng)度短，可以設(shè)計(jì)出超薄鏡頭），其他135單反相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭都屬于“普拉納變種”。

“普拉納變種”為何能一統(tǒng)天下？相對(duì)于“普拉納變種”而言，3組3片的庫克、作為“庫克變種”的天塞、作為“天塞變種”的海利亞（Heliar）等緣自非對(duì)稱型的設(shè)計(jì)，在光學(xué)方面的弱點(diǎn)是邊緣與中心的成像差異較大，無法制造出優(yōu)質(zhì)的大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。而作為另一種“天塞變種”的松納（sonnar），盡管能設(shè)計(jì)出50mmf/15的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，但是它只能適用于無反光鏡的相機(jī)上，而不能成為單反相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

東西方相機(jī)廠商普遍使用“普拉納變種”設(shè)計(jì)大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，還有一個(gè)重要原因是：這種“拿來主義”是通往成功的捷徑。

顛覆普拉納

其實(shí)，號(hào)稱完美的普拉納并非完美，而且光圈越大，全開光圈下成像越不完美。這是因?yàn)樵绞谴蠊馊Φ摹捌绽{變種”鏡頭，其前組鏡片的直徑就越大，前后鏡組就會(huì)更不對(duì)稱，像差也就更加難以克服。

下文主要通過廠方公布的鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)圖和MTF曲線圖，分析蔡司“貓頭鷹”標(biāo)頭和適馬“藝術(shù)”標(biāo)頭在全開光圈下的表現(xiàn)。同時(shí)列出的另外一款蔡司標(biāo)頭以及適馬2008款標(biāo)頭作為對(duì)比參考。由此可以看出新型光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)于成像素質(zhì)的決定性影響。此外，我們邀請(qǐng)職業(yè)攝影師隋曉龍，用最高分辨率的數(shù)碼相機(jī)檢驗(yàn)了蔡司“貓頭鷹”標(biāo)頭的實(shí)際表現(xiàn)。

蔡司Otus 55mm f/1.4 APO Distagon

蔡司MTF曲線圖說明

縱軸：MTF分值，0代表0分，100代表滿分

橫軸：測(cè)試點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，0代表中心點(diǎn)

實(shí)線：狐矢散像

虛線：子午散像

三對(duì)虛實(shí)的MTF曲線，從上到下依次是10線對(duì)、20線對(duì)、40線對(duì)。其中疏線對(duì)的MTF曲線（如10線對(duì)）主要反映鏡頭的銳度（反差），而密線對(duì)的MTF曲線（如40線對(duì)）主要反映鏡頭的細(xì)節(jié)再現(xiàn)能力。實(shí)線和虛線重疊說明沒有像散，分離說明有像散，分離嚴(yán)重則焦外表現(xiàn)不佳。

從這款新鏡頭的名稱上可以看出，卡爾·蔡司公司首次將沿用了近160年的商標(biāo)“Cad Zeiss”中的“Carl”省略掉；新添加的“Otus”，西文意思是角鶚屬鳥類，中文俗名“貓頭鷹”，暗喻其弱光下有著極好的“視力”；“APO”意味著它采用了復(fù)消色差設(shè)計(jì)。

最令人奇怪的是，這款標(biāo)準(zhǔn)鏡頭沒有采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的“標(biāo)準(zhǔn)”的光學(xué)設(shè)計(jì)“Planar”，而是單反廣角鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)“Distagon”——這才是問題的核心。

從光學(xué)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，這款鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)為10組12片，其中有6片超低色散鏡片（紫色表示）和1片非球面鏡片（綠色表示）。最前方有一片大尺寸的凹透鏡，這是反望遠(yuǎn)鏡頭的典型設(shè)計(jì)，第二片鏡片是一片低色散玻璃的凹透鏡。反望遠(yuǎn)設(shè)計(jì)最大的缺點(diǎn)是：因?yàn)榍昂箸R組是極不對(duì)稱的光學(xué)設(shè)計(jì)，所以隨著調(diào)焦距離由遠(yuǎn)至近的變化，成像質(zhì)量可能會(huì)迅速惡化。因此，這款鏡頭采用了浮動(dòng)鏡組設(shè)計(jì)。

全開光圈下，反映銳度的10線對(duì)MTF曲線（最高一對(duì)）起始點(diǎn)超過95；20線對(duì)的MTF曲線起始點(diǎn)超過85；反映細(xì)節(jié)再現(xiàn)能力的40線對(duì)MTF曲線起始點(diǎn)也超過65。這款鏡頭由于采用了反望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)和APO設(shè)計(jì)，所以全開光圈下就能取得非常優(yōu)異的成像效果。另外，新型光學(xué)設(shè)計(jì)也讓這款鏡頭的一致性很好，從中心到邊緣的差異并不明顯。

作為一款光圈為f/1.4的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，全開光圈下的MTF曲線稍遜于“小光圈”的徠卡APO-Summicron-M 50mm f/2 ASPH，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他大光圈標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

卡爾·蔡司

Planar T^*50mm f/1.4

為了便于比較，我們?cè)诖艘卜治鲆幌虏捎闷绽{設(shè)計(jì)的新款蔡司標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。其光學(xué)結(jié)構(gòu)為6組7片，屬于“前3后4”的非對(duì)稱式雙高斯結(jié)構(gòu)。全開光圈下，反映銳度的10線對(duì)MTF曲線（最高一對(duì)）起始點(diǎn)稍稍高于80，且下降幅度較為明顯；20線對(duì)的MTF曲線起始點(diǎn)超過65，也有一定程度的下降；反映細(xì)節(jié)再現(xiàn)能力的40線對(duì)MTF曲線起始點(diǎn)不到40。從MTF曲線圖來看，它的成像質(zhì)量與蔡司Otus 55mm f/1.4APO Distagon有較大差距。

適馬 50mm f/1.4 DG HSM Art

適馬MTF曲線圖說明

縱軸：MTF分值，0代表0分，1代表滿分

橫軸：測(cè)試點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，0代表中心點(diǎn)

實(shí)線：狐矢散像

虛線：子午散像

兩對(duì)虛實(shí)的MTF曲線，從上到下依次是10線對(duì)、30線對(duì)。其中紅色表示的疏線對(duì)MTF曲線（10線對(duì)）主要反映鏡頭的銳度（反差），而綠色表示的密線對(duì)MTF曲線（30線對(duì)）主要反映鏡頭的細(xì)節(jié)再現(xiàn)能力。實(shí)線和虛線重疊說明沒有像散，分離說明有像散，分離嚴(yán)重則焦外表現(xiàn)不佳。

這款鏡頭的后綴“Art”，意思是“藝術(shù)”。適馬的Art系列鏡頭其實(shí)是適馬公司為高端玩家打造的產(chǎn)品，主要強(qiáng)調(diào)攝影器材的“發(fā)燒”作用，所以做工更加精致，也更有品位和特色。適馬50mm f/1.4 DG HSM Art是Art系列第一款標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，它與適馬公司2008年發(fā)布適馬50mm f/1.4 EXDG HSM相比，在光學(xué)設(shè)計(jì)上完全不同。

從光學(xué)結(jié)構(gòu)圖來看。該鏡頭采用8組13片的復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)，其中含有3片超低色散鏡片（紫色表示）和1片非球面鏡片（綠色表示）。

適馬2008款標(biāo)頭采用了傳統(tǒng)的非對(duì)稱式雙高斯設(shè)計(jì)，而這款“藝術(shù)”標(biāo)頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)與適馬廣角鏡頭35mm t/1.4 DG HSM Art較為相似，因此它是一款采用廣角鏡頭設(shè)計(jì)理念開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。不過，這款鏡頭并不是典型的反望遠(yuǎn)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗牡谝黄R片為凸透鏡片，該鏡片與第二片凹透鏡片組合后是一個(gè)凹透鏡群，起到發(fā)散光線的作用。這款鏡頭后半部分的鏡片群為浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，當(dāng)近距離攝影時(shí)，這個(gè)鏡片群會(huì)向前方移動(dòng)，以便改善近距離的成像素質(zhì)。

全開光圈下，反映銳度的10線對(duì)的MTF曲線（紅色表示）起始點(diǎn)為0.95，30線對(duì)的MTF曲線起始點(diǎn)超過75。這款鏡頭由于采用了新型反望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，所以全開光圈下就能取得優(yōu)秀的成像質(zhì)量。從MTF曲線圖來看，其中心部位表現(xiàn)優(yōu)異，而邊角部位有所下降。

適馬

50mm f/1.4 EX DG HSM

為了便于比較，我們?cè)诖艘卜治鲆幌?008年發(fā)布的適馬50mm f/1.4 EX DGHSM。其光學(xué)結(jié)構(gòu)為6組8片，屬于“前3后5”的非對(duì)稱式雙高斯結(jié)構(gòu)，為了提高大光圈下的成像質(zhì)量，它的第一片鏡片特別大。全開光圈下，反映銳度的10線對(duì)MTF曲線（紅色表示）起始點(diǎn)為0.9，30線對(duì)的MTF曲線起始點(diǎn)超過0.55。與其他采用非對(duì)稱式雙高斯結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭相比，這款鏡頭的銳度表現(xiàn)還不錯(cuò)，但是綜合像質(zhì)與適馬“藝術(shù)”標(biāo)頭相比差距不小。endprint