观点｜从镜头体积看无反镜头未来设计方向
前几日，魔王在宾得群看到摄友发了一张微博截图，这张图咱们不讨论作者的心态如何，只看：“短法兰距会导致同规格无反镜头比单反更大更重”这句，引发了魔王对无反镜头未来设计的思考。今天，魔王就来和各位看官姥爷们讨论讨论机身卡口和无反镜头未来设计方向的问题吧。
对于短法兰距是否会导致同规格的无反镜头比单反镜头更大更重，魔王先不发表意见，先带各位看官来看下当下实际情况是什么样的吧：
看完这个图，其实也不用魔王多说什么，各位看官姥爷们心里已经都有了大致的判断。当然，这个对比其实也只能说明当下各厂家把无反镜头做的更大了，并不能证明短法兰距会导致无反镜头比单反镜头更大或者更重。那么到底短法兰距对镜头体积和重量的影响是物理上的限制，还是厂家在设计方向上的定位，我们慢慢来看吧。
一、卡口是要素
要想搞清楚这个问题，首先来看下什么是法兰距？法兰距其实也叫法兰焦距，法兰本来是一种链接零件，放在相机设备上就是用于接驳镜头和机身的安装法兰设备了。那么法兰焦距实际上就是安装法兰到入射平行光的汇聚点之间的距离了。在光设中在细化下，对镜头而言，法兰距的人话表达方式就是镜头无限远对焦时，镜头卡口平面到镜头理想成像平面之间的距离。对于机身而言，法兰距的人话表达方式就是机身卡口平面到焦平面，也就是传感器所在平面之间的距离。
再进一步来看，短法兰距“会导致”同规格镜头更大更重吗？这是一个充分非必要的命题，理论角度来看，法兰距与镜头的体积和重量并没有必然的联系，也就是说“短法兰距并不会直接导致镜头变大变重”。
换个概念就是：无反镜头能否小型化？答案是肯定的！聪明点的看官姥爷们在这里应该知道，这里肯定有一个“但是”。毕竟，刚才的镜头体积对比图的结果是大部分无反镜头都比单反镜头更大更重。好了，这个“但是”我们先不说，先来看看各类短法兰距相机的卡口：
目前主流的短法兰距机身卡口中，大法卡口口径仅为46.1mm，为各家最小，而且给自己挖了个深坑。尼康因为在SLR时代吃了自己法兰距长和卡口口径小的亏，被佳能羞辱数十年后，终于在Mirrorless时代用力过猛，搞出了口径最大、法兰距最短的Z卡口，豪言壮志的尼康甚至放出狠话：有比Z卡口法兰距还短的算我输。
无反相机取消了阻碍历史发展的反光板机构，镜后最后一枚镜片可以肆无忌惮的插入插到卡口内部，直抵cmos面前，使得镜后距小于法兰距——这也是无反在结构上的其中一个优势。
由于法兰距的大幅度缩短，镜头卡口口径已经很难成为制约镜头光圈规格的因素——大法E卡口虽然只有46.1mm，但是法兰距只有18mm，根据系统理论极限光圈值公式：极限光圈=法兰距/卡口口径，可以计算出E卡口可以做到的镜头最大光圈达到f/0.4，这已经不是普通材料能够完成的任务了（根据F=f/2r的公式，f是焦距，r是镜片半径，真空下光圈极限为F0.5，再大镜片就要穿过传感器了，更大的光圈需要更换传播介质了），所以可以认为大法E卡口在镜头光圈规格上的限制几乎等于没有。
所以在不考虑移轴的情况下，nothing is impossible，没有什么规格的镜头是E口做不出来的，这一点是毫无疑问的（很多朋友觉得E卡口太小，甚至对cmos四个角都有遮挡，做35判数码十分勉强，这绝对是误解，纯粹的脑补）。区别在于，出瞳直径不能大于卡口直径，否则会产生严重的暗角和口径蚀。所以当f/F>卡口直径时，出瞳的位置就必须向CMOS靠拢，导致画面边缘的光线入射角增大。
说到这里，很多看官希望魔王能讲点看得懂的人话，并且引入了一个新的概念：出瞳。把光阑看作向后发光的光源，其在镜头后侧镜片所成的像就叫作光学系统的出瞳。举一反三，光阑通过镜头前侧镜片所成的像就叫作光学系统的入瞳。
为了方便各位看官的理解，魔王祭出灵魂画功画了一幅图来解释出瞳后移的问题：
由图可见，出瞳A的直径大于机身卡口的直径，可以看出经过出瞳A的光线投射到传感器像面会明显被机身卡口所遮挡。为了解决这个问题，则必须将出瞳位置后移，同时缩小出瞳的直径，但这样会增加画面边缘的入射角度变得非常大。
这也就是大法E卡口目前的现状和解决方案，由于E卡口尺寸较小，为了保证入射光线不被机身卡口遮挡，必须将E卡口镜头出瞳位置后移并且减小出瞳直径。潜台词就是，大法E卡口很难设计出像方远心的镜头。这点我们后面会反复提到。
（左侧是大法FE 35mm f/1.4ZA出瞳更加靠后，显得也更小。而EF35mm F1.4LII则是一个远心的“大眼睛”）
出瞳和CMOS的距离和焦距有着非常密切的关系。超广角镜头的出瞳天生就离CMOS很近，这对于短法兰距机身尤其是大法来说是最容易设计的镜头。（单反由于反光板的存在法兰距太长，必须付出额外的努力把出瞳往前移动，导致镜头体积增大。）假如一个镜头的焦距（f）/光圈（F）超过46mm且本身焦距很长（比如135mm F1.8），那么大法就需要费尽心思、绞尽脑汁将出瞳往后移，以确保出瞳直径要小于卡口。所以，超大光圈的长焦才是无反相机，尤其是大法E卡口的噩梦。
（此处感谢某品牌编外质检员running man强力推送此图）
网上有见过吹鼓索尼FE400mm F2.8等镜头将大口径镜片后移是以减重为初衷的光学设计，这就是比较明显的洗地了。这其实是非常典型的受到卡口口径小的制约，毕竟大光圈长焦最简单的设计方法是像方和物方的光路对称，也就是出瞳和入瞳是重合的，显然就算是佳能RF口和尼康Z口也是不足以支撑这样的设计。当f/F＞卡口口径的时候，必须往后面修改出瞳位置，网上所谓的大口径镜组后移。这不光是FE400mm F2.8面临的问题，同样RF400mm 2.8和RF600mm F4.0一样存在。
刚才我们讲了，出瞳直径/最大光圈不能大于机身卡口直径，否则就要后移并且缩小出瞳直径。然而这并不是无法镜头设计的唯一枷锁，另一把枷锁将小口径的短法兰距镜头设计卡的死死的——因为出瞳需要考虑CMOS的CRA（CHEIF RAY ANGLE主光线出射角），所以出瞳不能太靠后。
每一款CMOS都有自己的CRA曲线，这个曲线是光学设计必须参考的，也就是说镜头的CRA一定要匹配芯片，严重的匹配度偏差会造成边缘失光、红移甚至是边崩。
Hologon就是传感器斜射的典型，由于Hologon的是采用胶片时代的设计，镜后距和出瞳位置过于接近传感器（只有几毫米），而CMOS和胶片的原理还有一定区别；CMOS为了提高进光量，来提高光收集率，然而边缘的入射光线角度非常大，很难被微透镜折射到CMOS中；这直接导致了边缘失光、边崩和红移的产生。
通过对短法兰距镜头设计和卡口之间的相互制约关系，我们可以很明显的得出两个结论：
1、短法兰距系统的卡口越大，越有利于镜头的设计，尤其是大光圈长焦镜头。
2、索尼E卡口因为过小，其镜头的设计受到出瞳位置的制约非常明显。
这样我们就可以很好的理解为什么各家的短法兰距无反相机系统在卡口直径上开启了“军备竞赛”。
二、小型化的无反镜头
回过头来看下各家短法兰距的镜头能否做小，答案绝对是肯定的，毕竟已经有很多小型化的镜头早已深入人心。摘掉反光板的无反系统小型化镜头，随便举举例子就有一大堆：
令人印象深刻的大法的GM大师镜中FE35mm F1.4和FE24mm F1.4对体积和重量的控制也都非常给力，比无反时代各家同规格，甚至是各家单反镜头都要小。但是FE85mm F1.4GM、FE24-70mm F2.8和FE70-200mm F2.8的三围规格可是着实有点健身了。
大法观音他妈龙的35mm F1.8也全都是轻便小巧的存在，他妈龙更是搞出了20mm、24mm、35mm三枚都只有200克出头的全画幅F2.8小微距定焦，西格玛则在APS-C发力，16mm、30mm、56mm三枚F1.4的DC DN轻便的大光圈镜头。
除此之外西格玛的Contemporary的C系列，比如24mm F3.5 DG DN，35mm F2.0 DG DN，45mm F2.8 DG DN，65mm F2.0 DG DN和85mm F1.4 DG DN也都相对于ART系列有着不俗的体积控制。之所以给人小型化印象没有大法那么强，更多是因为这些镜头，除了85mm F1.4 DG DN以外都不是超大光圈镜头，小型化并非意外。
还有一套最容易让人忽略的系统，那就是Leica的M系列镜头，这套系统因为没有AF机构，各个都小的令人发指，与前述镜头根本不在一个数量级。
当然，这其中也有用障眼法给用户错觉的观音，观音的RF70-200mm F2.8和RF70-200mm F4.0这两只镜头打破30多年来的常规操作，放弃传统内变焦改用外变焦设计。也就是说，你看到的并不是你真正看到的，只是为了收纳方便而已，实际展开是这样的：
没有对比就没有伤害，我们来看看RF70-200mm F2.8与EF70-200mm F2.8第三代的对比：
（外变焦没伸出来是这样的）
（外变焦伸出来的样子是这样，是不是感觉上当受骗了）
那么问题又来了，既然有这么多小型化的无反镜头，为什么开局的图却依然展现的是一副无反镜头健身化的景象？
三、小型化无反镜头的问题
这里，不得不说说短法兰距（无反镜头）小型化带来的问题。
1、呼吸
索尼第一个点击科技树的时候缺乏经验，将卡口尺寸设计的比较小，相应的出瞳直径也被限制的非常死，为了保证更大的照度，只能尽可能的前移和增大出瞳直径。但是索尼的小型化镜头从体积上就已经将增大出瞳直径推向了深渊。比较小的出瞳直径，只能尽可能的后移出瞳位置来接收更多的边缘光线。这，是一个死循环！
AF镜头多采用加入浮动镜组的方式来解决。加入一组浮动镜组之后，由于这组镜组是浮动运动，与其他镜片的相对位置发生了变化，那么必然导致镜头焦距的变化，这就是呼吸效应。
像方远心设计可以较好的抑制呼吸效应，这个问题我们放在后面聊。但是索尼在像方远心设计的可能性上基本已经被索尼E卡口的小口径宣告死亡了，这条路走不通。
当然，还有个的办法，就是再增加一组浮动镜组，来最大化抵消第一组浮动镜组运动造成的呼吸效应。有没有发现，为了抑制呼吸效应，镜组越加越多，小型化势必成为水中月、镜中花。索尼FE35mm F1.4GM镜头饱受诟病的呼吸效应便很大程度与之有关。无独有偶FE35mm F2.8ZA曾经作为小型化的典范，也因为在小型化而在放纵呼吸效应的道路上扬长而去。
（大法35GM丧心病狂的呼吸效应）
（FE35mm F2.8ZA全开光圈时的呼吸效应）
（FE35mm F2.8ZA光圈F22时的呼吸效应）
2、畸变
适马为了摆脱“焊马厂”的大名，集中更新了一批无反专用的镜头来替代曾经SLR镜头焊接法兰环的做法。这一波更新确实带来了不少体积和重量有非常明显的去健身化趋势的镜头。适马和大法在缩减体积的设计上思路是完全不同的，适马并不是从出瞳位置调整来下功夫，而是更加粗暴的在复杂的结构上大量使用高折射镜片和大曲率（小曲率半径）面型镜片来加大光线曲折程度，从而缩短整个光程；同时，适马也非常善于在物方第一枚镜片放置高折射镜片来压缩镜头口径。
这其中，以适马85mm F1.4 DG DN ART和适马45mm F2.8 DG DN C两只镜头尤为典型。适马85mm F1.4 DG DN ART采用15枚11组的复杂设计，其中高折射镜片有4枚，至少4个玻璃面型有着比较夸张的大曲率，物方第一枚为高折镜片。而适马45mm F2.8 DG DN C则是8枚7组的设计，在光圈仅仅为F2.8的设计上，堆了4枚折射率高于1.7的镜片，甚至这种规格还使用了折射率高达1.98612的镜片，配合6个大曲率面型，这一波体积缩减的有点浪。
（适马85mm F1.4 DG DN ART结构）
（适马45mm F2.8 DG DN C结构）
（适马45mm F2.8 DG DN C玻璃）
以适马85mm F1.4 DG DN Art为例，因为大量使用高折射镜片和大曲率面型来压缩体积，势必会造成畸变的难以修正。畸变，它是由于焦平面上不同区域对影像的放大率不同而形成的画面扭曲变形现象，这种变形的程度从画面中心至画面边缘依次递增，主要在画面边缘反映得较明显。造成焦平面不同区域放大率不同的元凶就是非像方远心设计结构中的高折射镜片和大曲率面型对中心和边缘光线的曲折程度不同。这便是适马强行小型化带来的严重后遗症——拒绝健身，拥抱的却是变形。
当然需要说明的是，魔王这里指的是纯粹的光学设计方面（即关闭机内变形校正），不含机内矫正后的数据，计算摄影不在本次讨论之内。
（适马85mm F1.4 DG DN Art各种关闭机内校正后的变形翻车）
另附一张适马45mm F2.8 DG DN C的畸变测试图，供各位看官姥爷参考：
3、渐晕（失光）
另一个小型化带来的问题就是暗角，索尼小型化镜头没能逃过这一劫，靠后的出瞳位置导致索尼全部小型化镜头，比如FE35mm F1.8、FE20mm F1.8等等这些小型化镜头的斜射角度偏大，边缘解像力下降非常明显，而且大光圈的暗角非常明显，往往要收光圈到F5.6甚至更小方能消除明显的渐晕。
适马85mm F1.4 DG DN Art的光阑比较靠前，出瞳位置也相应的比较靠前，且出瞳直径受到前组大口径影响也非常大。直接导致入射光线严重被遮挡形成明显的暗角。
（适马85mm F1.4 DG DN Art暗角测试）
综上可见，适马通过高折射镜片和大曲率面型实现强制小型化镜头做的没有索尼那么高明，突出了小型化弊大于利的问题。
4、成本
那么小型化镜头能不能做得很好呢？答案当然是能！那么各家为什么小型化的镜头都存在着各种问题不解决呢？这就是成本考量了，看得到的成本和看不到的成本就像前女友一样始终缠绕着整个环节。首先就是设计难度加大，需要更高的设计能力以及更复杂的设计方法，各方面的更高要求又会对材料和工艺产生影响，甚至是在品质控制方面都有要求。为了小型化将成本和售价推高到用户群体消费难以接受的时候，这种产品并不适合推出，毕竟厂家是要盈利的而不是科研机构，或者这个厂家不叫Leica！
四、为什么健身化是趋势
小型化的短法兰距镜头所能提供的光学素质并不能满足用户对画质日益增长的变态需求。厂家为了满足客官们挑剔的眼光，不得不放弃与画质无关的体积和重量，将心思重点放在光学素质的追求之上。魔王就可以依此合理推断：无反镜头未来的设计方向一定是要用尽大尺寸卡口的红利。那么这个红利是什么呢？且听魔王一一道来。
首先，短法兰距+大尺寸卡口给镜头的出瞳位置和出瞳直径有着更加宽松的设计空间，更有利于大口径镜头的设计。为什么要追求大口径镜头呢？这源于一个很流氓的公式：镜头的极限分辨率公式R=D/1.22λf，这个D就是镜头的通光口径，λ为光的波长，一般取值为550nm，f为镜头焦距。所以可以得出，通光口径越大，那么极限分辨率的上限越高。同理，光学系统的最小分辨距离，也就是镜头在衍射极限下所能分辨出的两个最近物点的距离也有一个公式： r=1.22 * λf/D ，这个公式也就是一个艾里斑的半径，也就是通光孔径D越大，所能分辨的距离越小，也就是分辨能力越高。
其次，更大尺寸的卡口可以允许更大的后组镜片进入卡口并贴近感光元件，这对于大光圈镜头来说，可以更加有效的调整光路，从一定程度上能够让光线以更加小的入射角尽量直的进入传感器，从而提高画质，同时也降低了镜头设计的难度。
以佳能RF卡口为例，RF35mm F1.8这枚镜头相较于单反卡口EF35mm F2.0有明显更大的后镜组，通过对光路的分析可以明显看出，RF35mm F1.8的后镜覆盖传感器范围更大，也就是说边缘入射角较之EF35mm 2.0更小，这样避免了短法兰距容易带来的暗角、边崩和红移的出现。
第三，实际上如果从最终的效果来看，如果单反时代的大卡口受限于法兰距还有一个支撑大光圈镜头的意义的话，无反时代的大卡口最大的意义应该就是赋予镜头设计人员更高的自由度——大卡口的出瞳可前可后，而小卡口的出瞳不能前只能后，在做镜头设计的时候就会比较受限制。
更大尺寸的卡口口径可以不必强行要求镜头的出瞳位置靠后，大幅前置出瞳位置，同时配合大口径卡口，以像方远心设计保证边缘画质以及控制呼吸效应。
关于远心设计，魔王曾在《从高桥泰夫走到平川纯，再从平川纯迈向小织雅和》一文中做过详细介绍，客位看官可以传送了解。
（像方远心光路）
如之前所述，短法兰距更容易将后镜接近传感器来调整光路，但同时也意味着边缘光线容易以很大的入射角投射在传感器，法兰距越短，出射光线与传感器的夹角就越大，边缘的失光和各种像差也都随之不受控。
解决斜射最好的办法就是将光路尽可能的垂直入射传感器，也就是说让出射光线尽量为平行光线。像方远心设计的所有主光线都直接垂直射入传感器，整个图像的受光很均匀。像方远心设计配合更大直径的后镜组，将数码传感器对入射角的依赖性最小化，以避免大角度入射光线在数码传感器上出现失光和红移，对短法兰距来说是重大福音。但前移出瞳位置的像方远心设计对体积控制来说则是大家都懂的。。。。。。
（尼康Z50 1.8S镜头结构）
（佳能RF50 1.2L镜头结构）
（尼康Z58 0.95镜头结构）
第四，从像方远心设计的优势来看，这种设计光路的放大倍率和像面的远近无关，不会随着像面位置的变化而变化，从而能解决呼吸效应的问题。
松下L口镜头各个身材健硕，堪称健身化领军，究其原因便主要因为像方远心设计。松下DFD是一种瞳孔分割相位差检测法，对焦过程中要求两张相位差检测图像不能发生倍率变化。通俗易懂一点就是，DFD对焦系统依赖呼吸效应的克服。在大口径短法兰距时代，呼吸效应的解决更多是利用像方远心设计而弱化体积的限制。这种方法多次出现在松下DFD对焦系统专利中：
（松下DFD对焦系统专利）
（徕卡SL50mm F1.4镜头结构，柯美设计）
（松下LUMIX S PRO 50mm F1.4镜头结构）
不难看出，徕卡SL50mm F1.4和松下LUMIX S PRO 50mm F1.4两支镜头虽非同源，但均为像方远心设计，以适配SL机身和S系列机身的DFD对焦系统。
最后我们不难发现，享受机身卡口带来的红利，就需要镜头口径、前移出瞳位置、像方远心设计等等。这些设计都有一个共同的特点，那就是体积和重量的疯狂扩张，也就是为什么当下的无反镜头大多数体积和重量都比SLR镜头更加庞大的原因，毕竟卡口给了足够的空间，厂家没有理由不足额利用设计空间。
五、结束
行文至此，其实文初的问题回不回答已经并不重要。长法兰距长和短法兰距的前提下，要做同样规格的镜头，需要的设计思路和代价有所差异。短法兰距在同规格下能否做到比SLR系统更小的镜头？答案当然是肯定的，但实际上能不能做，和好不好做、做出来效果怎么样，是几个互相独立的命题。厂家采用更大口径的卡口本就是为了能给镜头设计更大的潜力，所以各厂家充分利用卡口优势发挥自己的光学极限来展现自家的顶级镜头产品，至于小型化更多的是满足廉价便捷的产品线罢了，毕竟这是靠牺牲光学素质的做法。
短法兰距只意味着机身可以更薄，与配套镜头的体积大小无直接关系。所以无反系统也会出现“傻大粗”的镜头。毕竟堆料可以很直接地提升最大光圈值和图像质量。从这一点来说，无反系统并没有很好地解决便携的问题，反而还带来了头重脚轻的问题。
往期精选：
测试｜“星爸爸”——感受镜头的力量
【DFA70-210mm f4.0测试】“鱼肠剑”——勇绝之势为鱼藏
上古十大神兵——Pentax prototype lens！