趣谈大光圈：为什么原厂不出F0.7这样的镜头呢？
玩机小胖2017-12-06 11:13
在前几天小胖写的堆栈改善虚化二线性的文章评论里，不乏这样一种观点“只有新手才会钟情于大光圈”，这个说法可以有两种解读，一是针对镜头本身，二是针对大光圈带来的虚化效果，但无论怎么说，这句话都忽略了一个前提：在同等焦段的情况下，光圈大小往往与镜头综合性能成正比关系，简单理解来看，50mm F1.4就是要强于50mm F1.8，F1.4更出色的虚化效果只是它综合素质更好的体现之一：因为光圈越大，镜头的用料设计难度就越高，用料好设计靠谱的镜头综合素质自然是跟着水涨船高，因此大光圈往往就代表着高性能（切记前提：同等焦段，抛开应用面区别只看成像素质，50mm F1.8也是抵不过100mm F2.8的）。
那么，是不是说光圈做得越大，镜头素质就越高呢？其实这是个抛物线式的增量关系，想做到大光圈并不是什么特别难的事情，早在上世纪四十年代的二战时期，蔡司就为二战时期的德军夜视仪项目制作了50mm F0.7、70mm F1.0等透镜，在现在来看这些也都是规格相当炸裂的产物，所以历史早就告诉我们，在不计成本的前提下，单纯只是把光圈做大依然是可行的。二战结束后蔡司的50mm F0.7结构就被NASA征用改进并生产了10颗，用于在空间站上以超低亮度拍摄月亮的阴面，也被70年代知名导演库布里克改造为电影镜头拍摄了电影《乱世儿女》，其中有个场景就是完全靠蜡烛作为光源，硬是以100度（ISO 100）胶片迫冲200度+蔡司50mm F0.7镜头给拍了下来，成为了电影圈至今都难以复制的神迹（主要是这镜头除了他之外别人没有，没办法复制）。
所以不难看出，当年做大光圈的目的就是要够明亮，胶片时代400度就已经算是比较高了，跟现代数码相机ISO 3200都只是洒洒水完全不可同日而语，超大光圈虽然很明亮，但各种光学误差也基本没办法控制了，在五六十年前大家要求的是“拍到”，而在这个4000万像素级时代大家要求的是“拍好”，这个区别就决定了现代镜头难以做到F1.0以内的超大光圈。
就目前的单反镜头来看，F1.2算是最大级别了，但大家依然会吐槽佳能50mm F1.2不太结实的焦内成像，以及85mm 1.2太浅的景深和难以把控的对焦，也总会吐槽它们非常明显的焦内倍率色散和焦外轴向色散，紫边王的位置坐得稳稳当当的（比如下图85mm F1.2全开，猫的胡须就有非常明显的紫边），再加上像散、口径蚀等问题也将很难避免，而且大光圈镜头前镜组都需要使用高曲率或折射率，具备放大功能的设计，如果在乎画质的话，会对镜片工艺提出很高的要求。综上所述，在目前工艺下，F1.4就是各大厂商得出的“镜头光圈/成像素质/研发成本抛物线峰值”，这个光圈的单反镜头基本代表了各家大光圈单反镜头成像素质和机械性能的顶级水准，大于它，甚至想做F1.0以内？这不是花钱买罪受么！
注：光圈值的定义是镜头入瞳径/焦距（入瞳径：从镜头前看进去的光圈视觉直径，不是它真实的物理直径，大光圈镜头前镜组采用高曲率或高折射率镜片，作用就是把入瞳径放大）
有没有注意到小胖不断在强调“单反”镜头，如果你同时还是个冷门镜头爱好者的话，你应该听说过中一光学这个品牌，它就敢为天下先地以国产品牌的身份，推出了50mm F0.95这样的超大光圈镜头，但同时你也应该知道，这是一颗专门为索尼FE卡口打造的镜头，为什么不出单反版本呢？因为想要做大光圈，在镜头物理结构上有两个重要的设计点：镜后距短、像场小，目的是在尽量短的距离内将尽量粗的入射光锥聚焦在CMOS上。FE卡口因为没有反光镜系统，后镜组可以非常接近CMOS（前面提到的蔡司Planar 50mm F0.7镜后距甚至只有4mm而已），所以就大光圈镜头的设计制造难度来说，无反有先天优势，但作为唯一的全画幅无反品牌，索尼为什么不做超大光圈呢？看看中一50mm F0.95的官方样张吧。
5000块的镜头，说明中一真的尽力了，但这焦外光斑赤裸裸的表明了其光学素质的确不咋地。当然我们不能把索尼和中一的镜片制造和镀膜工艺同一并论，同时也必须为敢走在前头的国产光学厂商鼓掌，不过现实是残酷的，超大光圈就是这么暴力，连中一这成像素质也要卖到5000，以索尼的尿性，真造出来价格必然是20000以上，而且实用性可能还不如55mm F1.8……一线品牌在出产品之前一定会做精算和调研，既然一直没出，说明了什么就不需要小胖再明讲了吧。
刚刚小胖说了，制造大光圈的两大前提其一是镜后距短（上图为两款50~70年前的超大光圈镜头结构图，可以看到镜后距非常短）。第二种方案就是小像场，像场简单一点理解就是镜头入射光锥直径，CMOS尺寸越大，光锥就必须够粗才能实现整个CMOS的覆盖，所以像场你也可以简单等同于CMOS尺寸（这也是为什么全画幅无反镜头在同焦段同光圈的情况下不可能做得更小巧的原因）。CMOS尺寸变小一些的话，入射光锥直径也相应变小，比如M4/3奥林巴斯和APS-C的富士就新推了一些F1.2镜头，不仅光圈够大，体型还轻巧得很（看下图，这就是一颗M4/3画幅F1.2镜头的体型）。不谈等效全画幅镜头光圈的信噪比和弥散圆直径，至少可以获得更快的快门速度，也是一种便利。
就算是单反镜头，适马的APS-C专用镜头也把变焦做到了50-100mm F1.8，如果再往极限一点说的话，比如X光机等医学影像器材的镜头基本都大于F1.0，甚至可以到F0.5，高倍率显微镜的物镜更是可以做到F0.33这种实际光圈去，归根结底就是像场小外加工作距离固定方便矫正，用相机转接显微镜拍摄时你就会发现只有中心部分在成像，原因就在于像场很小，无法覆盖相机CMOS。
关于各个焦段的最大光圈，可能你会观测到一个现象就是：焦段越长，最大光圈就越小。这个说法是成立的，长焦镜头的镜头长度随焦段增大而增大，这就好比一条50米的隧道你站在入口看到的出口很大，但500米的隧道你就只能看到一个小小的出口了，越长焦最大光圈就越小，呈单调递减关系。
但反过来说并不是广角就有利于做大光圈，这主要是受制于前镜组和CMOS形态，人眼之所以能做到超过180°的视野（包含余光）主要因为眼球是球体，但CMOS却是平面，镜头视野越广，边缘失光率越高，成像素质下降速度越快，而且光圈越大越明显，同时灯泡前镜组动不动做到快100mm对工艺来说也不是开玩笑的。所以一般24mm可以做F1.4，但20mm就只能F1.8，真正的非移轴超广14mm大多数就只能做F2.8了。适马倒是做了个14mm F1.8，但95mm的灯泡前镜组再加上1120多克的庞大体型几乎达到了极限，作为对比，佳能14mm F2.8 II灯泡前镜组只有80mm直径，体重更是只有620克出头，甚至比自家的24-70 DG OS HSM还要更为庞大（参照下图），再加上连适马都要卖到9999的价格，都一切说明超广想做大光圈有多不容易。
不可否认的是，在极限光圈的研发上，现代镜头还是更倾向于保守的市场策略，这也跟大环境有关，上世纪中叶的影像器材主要都是军用，研发动力很大，而现代影像器材主要是民用（专业产品其实进步还是很快，但与民用存在很大程度的不兼容性），你可以认为多多少少会有一些挤牙膏的成分在里面，进步幅度比较小速度慢，商业顾虑比较多，想要在大光圈设计上看到激进态度几乎是不可能的事情，多少还是感觉有些遗憾吧。
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