“貓頭鷹”的叫聲 兼談新型標頭的光學設計

陳奇軍

“廣角”的標頭來了

標準鏡頭的最大優勢是光圈大，不過，并非所有類型的光學結構都能設計出大光圈的標準鏡頭。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。單反相機要想擁有大光圈標準鏡頭，似乎只有一種選擇，這就是被譽為“完美”設計的普拉納（Planar）及其變種。

然而，擁有大光圈標準鏡頭的人都有一種體會：全開光圈下，這些所謂“完美”的標準鏡頭成像并不完美，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準鏡頭。

不過，蔡司Otus 55mm f/1.4APO Distagon“貓頭鷹”標準鏡頭正在改變人們對大光圈標準鏡頭的不良印象。從中外媒體的對比測評結果來看，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為“史上最佳”。但是，這只“貓頭鷹”恰恰沒有采用號稱完美的普拉納設計，而是單反廣角鏡頭為了回避反光鏡的無奈設計——“反望遠”。不久，適馬公司也推出了一款“反望遠”設計的標準鏡頭——適馬50mm f/1.4 DGHbMArt。

大名鼎鼎的普拉納，是保羅·魯道夫（Paul Rudolph）在1896年為卡爾·蔡司設計的一種鏡頭結構名稱。這種光學設計經過改良后逐漸演化為單反相機大光圈標準鏡頭和中焦人像鏡頭的標準設計。在2012年之前，所有最大光圈超過f/2.8的單反相機標準鏡頭幾乎都是普拉納及其變種設計，普拉納和它的徒孫們“統治”標準鏡頭長達半個多世紀。那么，普拉納帝國是怎樣稱霸全球的？“貓頭鷹”的叫聲是否預示著普拉納帝國的解體？

瞎子摸象之后

人類最早發明鏡頭時，完全沒有想到要預先設計草圖，而是跟著感覺走，即一邊手工研磨鏡片一邊觀察測量，直到認為“恰好”為止。

卡爾-蔡司公司的早期歷史就是這個樣子。卡爾·蔡司先生早年的工作是為大學實驗室的科學家以及醫學研究生產顯微鏡。他在德國耶拿（Jena）的作坊里研磨鏡片時思考這樣一個問題：依靠這種瞎子摸象的方式只能是小打小鬧，永遠也不可能做出一番大事業。于是，他找來了耶拿大學的物理學教授恩斯特-阿貝（Erest Abbe）。卡爾-蔡司希望阿貝教授為他的顯微鏡生產事先設計一個草圖，以便讓顯微鏡能夠進行標準化大規模生產。二人后來又聯合光學玻璃專家奧托·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不再是原始的感性方式，而是走向了理性計算，從而也誕生了鏡頭史上的一系列傳奇設計，其中最有名氣的當屬普拉納，讓我們重點看看這種經典光學設計的前世今生。

高斯雙高斯

1817年，德國數學家卡爾-弗里德里希·高斯（Carl FriedrichGauss）為了解決天文觀測時的色差問題，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，美國人阿爾萬一克拉克（Alvan G.Clark）發現，將兩組高斯結構的鏡片背對背反方向組合起來作為望遠鏡，可以取得更好的觀測效果，這就是雙高斯結構（DoubleGauss）概念的由來。盡管后來產生了若干種“雙高斯變種”設計，但是它們都是從雙高斯的“正一負一負一正”4組4片對稱式設計的基礎上演化過來的。

從理論上來說，這種對稱式設計，后組兩塊鏡片正好可以“完全”抵消前組兩塊鏡片所產生的各種像差。事實并非如此，由于高斯設計的正負鏡片之間的距離過大，再加上當時缺乏更高折射率、更低色散的玻璃材料，所以導致軸外像差很難克服。

保羅·魯道夫在為蔡司公司設計鏡頭時，既看出這種對稱式雙高斯的優點，也意識到其不足。于是他把雙高斯設計中的那兩片負透鏡加厚，使得正與負鏡片之間的距離減小，進而降低了軸外斜射光線所造成的像差。不過，在保羅·魯道夫看來，這種設計依然不夠完美，于是他把已經加厚的負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片的對稱式雙高斯，在保羅·魯道夫手中變成了4組6片的對稱式雙高斯。保羅·魯道夫的主要貢獻在于對雙高斯結構中的負透鏡組的改良，這正是普拉納的精髓所在。在魯道夫設計的這兩個膠合負透鏡組中，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）。

從對稱到非對稱

保羅·魯道夫的普拉納既改進了雙高斯的缺點，又保留了其對稱式的優點，但是英國泰勒和霍布森（Taylor & Hobson）公司的賀拉斯·李（Horace.w.Lee）認為，這種完全對稱式設計也有明顯的缺點：魯道夫的普拉納最大光圈只能做到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·李在普拉納設計的基礎上，加大了前鏡組的直徑，開發出名為“Opic”的非對稱式雙高斯鏡頭。“Opic”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計。

后來，卡爾·蔡司也推出了非對稱式設計的雙高斯鏡頭，不過命名依然是普拉納。卡爾·蔡司還推出非對稱式雙高斯設計的比奧塔（Biotar）以及比奧美塔（Biometar）。二戰后，民主德國的“東蔡司”也開發出非對稱式雙高斯的潘考拉（Pancolar）。

利用非對稱式雙高斯設計，在50mm～90mm焦距范圍內，容易為135相機設計出優質的大光圈定焦鏡頭。由于這種設計源自對稱式的普拉納，因此非對稱式雙高斯設計也稱為“普拉納變種”

普拉納的征服

從上世紀60年代起，“普拉納變種”在單反標準鏡頭領域逐漸一統天下。除了普拉納之外，還有大名鼎鼎的施耐德之仙娜塔（Xenotar）。旁軸相機為了設計出優質大光圈鏡頭，也采用了這種“非對稱式雙高斯設計”。佳能公司為其7S型旁軸相機設計的50mmf/0.95超大光圈鏡頭就是一例。endprint

在鏡頭名稱中標明光學結構名稱是德國廠商一貫的做法，日本廠商則沒有這個傳統，所以從鏡頭名稱上無法看出日本品牌鏡頭的光學結構。不過，自從上世紀50年代末以來，除了一些“餅干型”標準鏡頭采用3組4片的天塞結構外（天塞結構光學長度短，可以設計出超薄鏡頭），其他135單反相機標準鏡頭都屬于“普拉納變種”。

“普拉納變種”為何能一統天下？相對于“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）等緣自非對稱型的設計，在光學方面的弱點是邊緣與中心的成像差異較大，無法制造出優質的大光圈標準鏡頭。而作為另一種“天塞變種”的松納（sonnar），盡管能設計出50mmf/15的標準鏡頭，但是它只能適用于無反光鏡的相機上，而不能成為單反相機的標準鏡頭。

東西方相機廠商普遍使用“普拉納變種”設計大光圈標準鏡頭，還有一個重要原因是：這種“拿來主義”是通往成功的捷徑。

顛覆普拉納

其實，號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。這是因為越是大光圈的“普拉納變種”鏡頭，其前組鏡片的直徑就越大，前后鏡組就會更不對稱，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結構圖和MTF曲線圖，分析蔡司“貓頭鷹”標頭和適馬“藝術”標頭在全開光圈下的表現。同時列出的另外一款蔡司標頭以及適馬2008款標頭作為對比參考。由此可以看出新型光學設計對于成像素質的決定性影響。此外，我們邀請職業攝影師隋曉龍，用最高分辨率的數碼相機檢驗了蔡司“貓頭鷹”標頭的實際表現。

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：測試點到中心點的距離，0代表中心點

實線：狐矢散像

虛線：子午散像

三對虛實的MTF曲線，從上到下依次是10線對、20線對、40線對。其中疏線對的MTF曲線（如10線對）主要反映鏡頭的銳度（反差），而密線對的MTF曲線（如40線對）主要反映鏡頭的細節再現能力。實線和虛線重疊說明沒有像散，分離說明有像散，分離嚴重則焦外表現不佳。

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“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”意味著它采用了復消色差設計。

最令人奇怪的是，這款標準鏡頭沒有采用標準鏡頭的“標準”的光學設計“Planar”，而是單反廣角鏡頭的光學設計“Distagon”——這才是問題的核心。

從光學結構圖上可以看出，這款鏡頭的光學結構為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，這是反望遠鏡頭的典型設計，第二片鏡片是一片低色散玻璃的凹透鏡。反望遠設計最大的缺點是：因為前后鏡組是極不對稱的光學設計，所以隨著調焦距離由遠至近的變化，成像質量可能會迅速惡化。因此，這款鏡頭采用了浮動鏡組設計。

全開光圈下，反映銳度的10線對MTF曲線（最高一對）起始點超過95；20線對的MTF曲線起始點超過85；反映細節再現能力的40線對MTF曲線起始點也超過65。這款鏡頭由于采用了反望遠結構和APO設計，所以全開光圈下就能取得非常優異的成像效果。另外，新型光學設計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的標準鏡頭，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，但是已經遠遠超過了其他大光圈標準鏡頭。

卡爾·蔡司

Planar T^*50mm f/1.4

為了便于比較，我們在此也分析一下采用普拉納設計的新款蔡司標準鏡頭。其光學結構為6組7片，屬于“前3后4”的非對稱式雙高斯結構。全開光圈下，反映銳度的10線對MTF曲線（最高一對）起始點稍稍高于80，且下降幅度較為明顯；20線對的MTF曲線起始點超過65，也有一定程度的下降；反映細節再現能力的40線對MTF曲線起始點不到40。從MTF曲線圖來看，它的成像質量與蔡司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：測試點到中心點的距離，0代表中心點

實線：狐矢散像

虛線：子午散像

兩對虛實的MTF曲線，從上到下依次是10線對、30線對。其中紅色表示的疏線對MTF曲線（10線對）主要反映鏡頭的銳度（反差），而綠色表示的密線對MTF曲線（30線對）主要反映鏡頭的細節再現能力。實線和虛線重疊說明沒有像散，分離說明有像散，分離嚴重則焦外表現不佳。

這款鏡頭的后綴“Art”，意思是“藝術”。適馬的Art系列鏡頭其實是適馬公司為高端玩家打造的產品，主要強調攝影器材的“發燒”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系列第一款標準鏡頭，它與適馬公司2008年發布適馬50mm f/1.4 EXDG HSM相比，在光學設計上完全不同。

從光學結構圖來看。該鏡頭采用8組13片的復雜光學設計，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款標頭采用了傳統的非對稱式雙高斯設計，而這款“藝術”標頭的光學結構與適馬廣角鏡頭35mm t/1.4 DG HSM Art較為相似，因此它是一款采用廣角鏡頭設計理念開發的標準鏡頭。不過，這款鏡頭并不是典型的反望遠設計，因為它的第一片鏡片為凸透鏡片，該鏡片與第二片凹透鏡片組合后是一個凹透鏡群，起到發散光線的作用。這款鏡頭后半部分的鏡片群為浮動式設計，當近距離攝影時，這個鏡片群會向前方移動，以便改善近距離的成像素質。

全開光圈下，反映銳度的10線對的MTF曲線（紅色表示）起始點為0.95，30線對的MTF曲線起始點超過75。這款鏡頭由于采用了新型反望遠結構，所以全開光圈下就能取得優秀的成像質量。從MTF曲線圖來看，其中心部位表現優異，而邊角部位有所下降。

適馬

50mm f/1.4 EX DG HSM

為了便于比較，我們在此也分析一下2008年發布的適馬50mm f/1.4 EX DGHSM。其光學結構為6組8片，屬于“前3后5”的非對稱式雙高斯結構，為了提高大光圈下的成像質量，它的第一片鏡片特別大。全開光圈下，反映銳度的10線對MTF曲線（紅色表示）起始點為0.9，30線對的MTF曲線起始點超過0.55。與其他采用非對稱式雙高斯結構的標準鏡頭相比，這款鏡頭的銳度表現還不錯，但是綜合像質與適馬“藝術”標頭相比差距不小。endprint