镜头的呼吸效应与对焦方案

1.1  呼吸效应

先看英文文献中对该部分的描述

1.“the movement of the focus group during  focusing of the image causes the image angle (also referred to as “image field angle”) to vary”

2.“the object-sided image angle shall remain constant at a given image height for all distances to anobject”

让我们来讲中文，呼吸效应是指对焦过程中镜头视场角发生改变！

1.2  呼吸效应的影响

对于使用者而言，一些定焦镜头达到类似“变焦”的效果，“变焦”范围越大，呼吸效应越明显，反之则越小。

对于拍照用户而言，这没有太大影响，你记录的画面只是那一瞬，优点也是有的：花定焦的钱用上小变焦，很值啊！！

对于一些视频用户，这将会是灾难，视频的输出需要一个平稳的画面，呼吸效应会使画面引入更多元素，不论是场景布局还是画面构图，这会是一点点小挑战。

其中，近摄聚焦时，像点A（近摄时物空间的最大视场角）假设对应物点A‘，无穷远聚焦时，物点A’在焦平面的像变为像点B（弥散斑B），此时其对应的真实像高发生变化，最大视场角变大。

因此，由近摄聚焦远摄时，对应拍摄画面变大，即产生呼吸效应。

2.2  收缩光圈利于减轻呼吸效应

也许有人会说像点B是弥散斑，判断是否合理？看布局图2收缩光圈至F32，此时景深变大，像点C与像点D均成清晰像，主光线高度与大光圈保持一致，呼吸效应保持一致。

实际表现似乎与我们的结论并不一致，大光圈的视角变化明显更明显！

此时，我们的弥散斑起作用啦，大光圈下py= -1的光线高度显然比小光圈py= -1的光线高度更低，即弥散斑B的最下方的光线低于像点D最下方光线，这意味着大光圈下的视角变化更剧烈，从视觉上呼吸效应就会更大。

2.3  长焦的呼吸效应更难控制

通过一些实际产品的非严谨对比，长焦与相同对焦方案的广角通常有着更明显的呼吸效应，这对于变焦镜头的广角端与长焦端同样成立。

下面我使用一个结构进行放缩，保证FNO、靶面一致，对比50MM、100MM从无穷远至1m的呼吸效应。

通过这个文件的非严谨对比，仅焦距不同，对焦变化的视场角非常接近，但变化的部分对于视场角更小的系统占比更大，呼吸效应也更明显。

前文提到视场角的变化是呼吸效应的关键所在，因此，最直接的量化方式

3.2  ZEISS 方案

ZEISS 在其专利中给出一个量化分析的公式（要求是偏差<10%）

 

可见消除呼吸的关键在于分母等于1。

以此为根据此隐式方程我们可以从以下3个思路减轻呼吸效应

1. 更小的焦距（即更大的视场角）

2. 更小的放大倍率（即短焦+长MTFD）

3. 长出瞳位置（远心光路或低入射角、光阑前移）

 

这些是整组对焦时的减轻呼吸效应的措施，很显然有着诸多限制，适用范围较小，而ZEISS给出了他的答案–浮动对焦

 

 

前面提到过，整组对焦时，由近到远视场角的变大导致呼吸效应，那么直接改变近摄或无穷时的焦距来补偿由于对焦产生的视场角变化，也能改善呼吸效应。

整组外对焦即光学系统整体移动，是2010年以前最主流的对焦方案，特别是标准焦段50mm。

缺点非常明显，性能无法兼顾近摄和无穷远，跷跷板原理，并且难以实现安静平滑的对焦，自动对焦以螺丝刀对焦为主，已经淘汰在单反时代。

典型例子：PENTAX FA 43 F1.9 ; Canon EF 50 F1.8

通常为前组+减焦组，前组整体前移，多用于超大光圈方案。且不适合AF化。。

典型例子：NIKON Z58 F0.95

光学系统总长不变，内部单片镜片移动，是适马最喜欢的自动对焦方式，我愿称之为单片马。

优点是结构简单，对焦电机要求低，能够轻易做小做轻。

单片对焦同样的，无法弥补对焦过程中的巨大像差波动，通常近摄较差。

典型例子：SIGMA 65 F2 ；SIGMA 56 F1.4

       光学系统总长可能变化，对焦组分为两组（大部分情况）目前也仅有各家旗舰镜头选择本方案。