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几款定焦、变焦镜头口径蚀的差异

无忌原创
135F2DC
烟斗祭司
2002-08-30

  "口径蚀"是任何镜头无法避免的一种现象,由于它的存在或多或少地对影像产生一定的影响,它也是镜头众多特性中的考量之一。


  口径蚀的产生原因


  我们知道,在通过镜头获得一个取景范围内的景物,能够在胶片上成像而被纪录下来。在考察取景范围内的景物通过光圈时的状况,可以通过下图示意说明.当位于画面中心附近的一个对焦实点,可以不受任何遮挡地通过光圈面上的任何点而在胶片上成像.但是位于画面边缘的对焦实点,在通过光圈面时仅仅有一部分光路通过,而另一部分由于镜桶的前沿的遮挡而无法通过光圈面到达胶片上。或者说进入镜头前端镜片的光线无法通过整个光圈面,而是通过光圈面的其中一部分到达胶片。其结果导致了胶片上画面边缘的亮度下降,俗称暗角。


 


  其实通过简单的观察很容易体验到它的存在.将机械光圈设定为接近全开的位置,如果从镜头正面观察镜头内部的光圈的话,能够看到整个光圈叶片,而偏离一定的角度观察的话,仅仅能观察到大部分光圈叶片,其中一部分叶片被镜边缘遮挡.显然,实际上偏离一定角度就意味着对应于胶片画面的边缘,此时通过光圈到达胶片上的光线显示为橄榄球型(亦称月牙形).当随着光圈的收缩,渐渐能看到全部的光圈叶片,此时对于着通过光圈到达胶片上的光线显示为圆形,镜头边缘的遮挡随之消失,口径蚀得以改善甚至被消除。


  另一方面边缘亮度的降低可以用数学公式表述:S=k*(cosA)的四次方.k是针对某镜头系数;A为画面边缘像点偏离光轴的角度;对于画面四角而言,A等于该镜头视角的二分之一。这种亮度的降低与收缩光圈无关,即使收缩光圈也无法改善。


  通常一些公布的镜头参数当中包含了MTF曲线以外,还公布变形率曲线和边缘亮度衰减曲线. 边缘亮度衰减曲线包含了cos的四次方法则与”口径蚀”综合的结果。可以看出,越是广角镜头,暗角越严重。


  望远镜头中"口径蚀"带来的问题


  虽然望远镜头中存在暗角现象,但是由于视角比较小,往往它不太引人注目,但是有时它以其他方式显示出来.以下列人像照片为例,背景中的光斑并非显示完整的圆形,而是月牙形,它的作用很容易为人们所注意,有损美感。由此看出,对于望远镜头而言,背景存在高光亮点时,"口径蚀"在很大程度上左右背景成像的效果,影响观感。


 


  针对"口径蚀"对背景光斑虚化效果的影响,在此通过实际拍摄和比较画面边缘的光斑虚化形状,试图讨论收缩光圈的影响,以及变焦和定焦镜头之间的差异。镜头焦距(或者合成焦距)选择180毫米至210毫米之间.本次测试采用的镜头为:

  Nikkor AF Zoom 80-200mm/2.8(New)

  Nikkor E Zoom 75-150mm/3.5(测试150mm端)

  Nikkor Micro ED 200mm/4D

  Nikkor Mirco 105mm/2.8 + Kenko AF 2X Conversion

  Contax Sonnar T* 180mm/2.8


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  光斑使用电脑屏幕产生,对焦距离为2米,光斑位置距离相机3米使得胶片上能够获得一定程度的虚化成像.拍摄使用手动模式,全体保持EV一致。样本如下所示,全体一致考察位于画面中心(Center)与左下角(Edge)的光斑形状。


 


  (1) 画面中心与边缘的光斑形状以及光圈对改善"口径蚀"的作用


  下列照片显示变焦镜头Nikkor AF 80-200mm/2.8(New)的200毫米端,在不同光圈下,中心与画面边缘光斑的形状.可以看出,在任何光圈下画面中心光斑形状均匀,而边缘由于"口径蚀"产生缺口光斑.并随着光圈的收缩,画面边缘的缺口光斑形状得到改善,在光圈2.8时缺口最为严重,收缩至f8(从开放收缩3档)时依然存在微小的缺口,收缩至16才能获得较为完整的圆形.而光斑缺口形状显示出很强的规律性,即缺口位置都处于来自画面中心的放射线上.另一方面,仔细观察当光圈从开放的2.8收缩至4後,光斑缺口的方向发生反转。


  F2.8 F4 F8 F16
Center
Edge

  (2) 两款变焦镜头的比较


  下图列出Nikkor E 75-150mm/3.5的150毫米端画面边缘光斑。通过与Nikkor AF 80-200mm/2.8(New)的200毫米端的结果比较可知,在光圈3.5时形成缺口,但是不如后者F2.8时那么严重,与后者F4时形状相当,收缩至f5.6(从开放收缩1.5档)已经可以获得较为完整的圆形。由此可以看出,即使都是变焦镜头,两者之间依然存在差异。如果依照边缘获得完整圆形光斑为评价内容的话,不论从光圈开放收缩档数来看,还是绝对光圈F值,Nikkor E 75-150mm/3.5都为胜出。


  F3.5 F5.6 F8 F16
Edge

  至于为何象Nikkor E 75-150mm/3.5这样廉价的镜头在”口径蚀”特性方面反而优于高价的AF 80-200mm/2.8呢?虽然在整体素质上后者无疑优于前者。我推测原因来自两个方面:


  其一,前者的变焦比较小,在设计上不存在太大的环境约束;而后者为了达到恒定光圈2.8的大幅度变焦比,在设计上环境的约束要大的多,没有那么多自由度。也可以说AF 80-200mm/2.8的设计是向一种极限挑战。在获得镜头一些主要指标的同时,牺牲一些次要指标也是不可避免的。


  其二,从观察镜头光圈叶片中可以看出,镜筒长度与镜头前端镜片直径(或者滤镜尺寸)也影响到”口径蚀”。显然,镜筒长度越小,滤镜尺寸越大,对改善”口径蚀”的效果越明显。


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  (3) 三款定焦镜头的比较


  下图列出Nikkor AF Micro200mm/4,Nikkor AF Micro105mm/2.8+Kenko X2(合成焦距210毫米),以及C.Zeiss SonnarT*180mm/2.8画面边缘光斑的比较.可以看出该三款定焦镜头在光圈全开都存在口径蚀,这也是说明任何定焦镜头存在口径蚀的一个佐证.各款镜头在收缩光圈后对口径蚀的改善程度上存在一些差异,但是没有本质上的差异,在光圈F5.6时光斑缺口完全消失,不同镜头收缩档数为1档或者2档不等.其中很有意思的是微距105mm镜头在连接2倍增距镜後,即使光圈全开也依然没有出现”口径蚀”。


  180mm/2.8 200mm/4 105mm/2.8+KenkoX2
F2.8
F4
F5.6
F8
F11
F16

  (4) 定焦镜头与变焦镜头的比较


  可以看出,相同焦距的变焦镜头不仅在最大光圈下口径蚀比定焦镜头严重,而且随着光圈收缩其改善程度要比定焦镜头差很多。比如象佳评如涌的恒定光圈2.8的望远变焦镜头80-200mm/2.8在光圈收缩3档後依然无法消除”口径蚀”,而一般的定焦镜头仅仅收缩1档至2档即可完全消除”口径蚀”。这种差异可以原因可以理解为相同焦距的镜头,变焦镜头的镜桶较长,其前端对于画面边缘的遮挡程度也较为严重。所以,奉劝那些使用大光圈拍摄者,在背景存在高光亮点的时候,并非光圈越开越好!特别是那些大光圈变焦镜头的使用者!


  (5) 结论


  (A) 恒定光圈2.8的望远变焦镜头80-200mm/2.8在光圈收缩3档後依然无法消除”口径蚀”,而一般的定焦镜头仅仅收缩1档至2档即可完全消除”口径蚀”。


  (B) ”口径蚀”将对背景成像产生不良影响,特别是背景存在高光亮点时更为显著。


变焦镜头(37)
口径蚀(1)
定焦镜头(34)
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