镜事屋 · 解密顶级大师电影镜头

👆 点击蓝字关注我们

镜事屋系列为字节社获授权转载，原作路过凝结，本文有改动。

本文共约  4200 字，阅读时间： 8 分钟

这个世界上从来就没有什么玄学，只有光学设计师的精妙考量。——沃兹基 · 硕德

“ 人气极高、素质顶尖、价格昂贵、“玄学”风味浓厚……集这些特性于一身的 ARRI Master Prime 50mm T/1.3 无疑是电影镜头的顶级作品之一。”

2005 年，Zeiss 宣布了新的 Super 35mm 画幅专用高端大光孔球面电影镜头的开发计划，是为 Master Prime 系列，共有 12 支定焦镜头，焦段覆盖从 12mm 到 150mm ，至今在顶级电影镜头序列中仍然罕有匹敌，比它广的不过 Panavision Primo L10.5mm T/1.9 、Ultra Prime 8mm T/2.8 和 10mm T/2.1 这几支；比它长的，可能也就 Ultra Prime 和 S4i。

设计师班子主要是 3 人：

Jurgen Noffke（下图），Master Prime 和 Ultra Prime 的主光学设计师，年轻时供职于东德蔡司，设计涵盖红外成像镜头、电影镜头等多个领域，2012 年因主导了 Master Prime 系列镜头的设计而与镜筒设计师 Uwe Weber 共获奥斯卡科学与技术奖，但在领奖前就已去世。

Juergen Klein ，参与了 Master Prime 的设计工作，还参与了蔡司 CVD 镀膜设备的优化设计，并在富士 Touit 60mm 微距镜头的专利中成功摸鱼。

Dietmar Gaengler ，陪着 Noffke 一起设计 Ultra Prime 和 Master Prime 的设计师，同时也设计了某些诺基亚的手机镜头（真的不只是贴牌），同时他也是 Digi Prime 系列镜头的设计师。

镜筒设计担当 Uwe Weber 博士（下图），他和 Jurgen Noffke 博士分享了 2012 年的奥斯卡科学技术奖，目前是蔡司民用摄影镜头与电影镜头最重要的镜筒机械结构设计师，最近的 Supreme Prime 镜筒也是他做的，人长得有点像 G 胖。

Weber 博士身后的屏幕应该是 Master Prime 100mm T/1.3

切正题。

“

众所周知，神说要有光，于是有了 Master Prime。

”

Master Prime 为电影镜头竖立了一个难以逾越的标杆，它同时具有：

• 极高的分辨率，

• 极低的色散，

• 柔和均匀的散景，

• 极低的呼吸效应，

• 稳定一致的色彩平衡，

• 覆盖极广的焦段，

• 全系列高度一致的尺寸和重心匹配，

• 准确的刻度标尺，

• 精确的后焦调节，

这一切都令 Master Prime 成为电影镜头演进历史中里程碑式的产品。

不仅成功接棒原有的大光孔 Super Speed T/1.3 系列电影镜头，更巩固了 Ultra Prime 以来 Zeiss 电影镜头的口碑。

正如蔡司设计师 Dodoc 回顾时说：

“

The advantage of these lenses is that the structure has been optimized to give the best optical performance, compactness and weight again and again over a long period of time. The optical performance at F NO 1.2 is remarkable for all these lenses.

Toward the global optimum in zoom lens design，2012 SPIE

为了同时实现极佳的光学性能、紧凑性以及重量控制，这些镜头的结构被反复优化了非常长的一段时间，最终这个结构成就了这些镜头的优势。这些镜头在 f/1.2 光圈下的表现是非同寻常的。

向变焦镜头的全局最优进发，2012 SPIE

”

Master Prime 50mm T/1.3 (f/1.2)

ARRI 50mm Master Prime Lens (PL, Meters)

结构图

绿：特殊火石玻璃；蓝：低色散玻璃；红：非球面

光学设计分析

镜头的特殊镜片运用较为克制，前 3 片第一次将光束扩展，随即用 2 片大口径的低色散玻璃轻柔地收束。光线进入胶合镜组时的入射高度并不很高，这在很大程度上减轻了高阶球差与像散的问题。

精心设计的非球面配置在光圈前方，虽然不容易计算但矫正效果极佳，为镜头的超高分辨率和平整像场贡献巨大。

镜头后组较为简洁，因为 ARRI 摄影机的结构决定了镜头的后组（光圈到镜尾）不能做得太长。尾部配置 2 片低色散镜片，稍稍凸出可能要注意。

由于镜头整体结构较长，所以即使是高度不对称的 Distagon 结构，也并未对镜头的畸变与场曲带来很大的压力，何况还有非球面帮助矫正。

镜头用到 2 片特殊火石玻璃（图中绿色），这类材料在蓝紫光区域（短波）有着相对较小的色散，故名 short flint，特别适合搭配氟（磷）冕玻璃（ED 玻璃、特殊色散玻璃）实现复消色差。

这类材料在过去属于最昂贵的光学玻璃类别之一，因为主体成分是氧化硼和氧化铅，大量氧化硼构成的玻璃骨架结构远不如氧化硅骨架稳固，而氧化铅又太容易被酸腐蚀，所以这类玻璃的耐酸耐水性能都不好，而现代配方使用氧化铌，性能已经大为改善。

该特种火石玻璃的折射率曲线

虽然是超大光圈的镜头，但 Master Prime 50mm 并未使用折射率很高的玻璃消除球差，可能是顾虑到高折射率玻璃相对不佳的短波透过能力，而 Master Prime 系列对于色彩平衡和全波段透过的追求已经达到苛刻的程度。镜头除了配置 1 面非球面，几乎全靠仔细的结构配合实现球差的消除。

Master Prime 50mm T/1.3 的另一个设计亮点在于其独创的双重浮动镜组，这是蔡司 Master Prime 系列的创新设计，兼顾近摄高画质与呼吸效应控制。

据 CinemaTechnic 的工程师说，Master Prime 在 40mm 及更短的焦段中采用单浮动镜组（同样 Ultra Prime 也是单浮动），因为浮动对焦过程导致的呼吸效应较弱；在50/65/75/100mm（或许还有更长焦）采用双重浮动镜组，去除呼吸效应。

具体到 Master Prime 50mm，近摄时，胶合镜组作为第一浮动镜组，后面的所有元件构成第二浮动镜组，两组镜片相对独立运动。

Master Prime 专利所述呼吸效应计算公式

上表示 Master Prime 50mm 放大倍率分别为 0、0.027、0.059 和 0.142（合焦位置逐渐靠近镜头）时的呼吸效应。

MTF 曲线

下面介绍 Master Prime 50mm T/1.3 依专利计算得到的 MTF 曲线。由于专利未提供具体的近摄镜组位置，所以所有 MTF 默认为无穷远对焦。

T/1.3（f/1.26）全开

单色光（d 线）：

图中蓝线为 10LP/MM；绿线 30LP/MM；红线 50LP/MM

可以看到 Master Prime 50mm 全开反差还是比较高的，但 30 线相比今天的许多数码镜头就不够高反差。不过一个好消息是，此时的画面中心 100LP/MM 有超过 30% 的反差。

即使是全开光圈，镜头的边缘也表现得较为均匀，至少在低线对上没有拉开大差距。

T/1.5（f/1.44）

图为 10-30-50-100LP/MM

镜头在 f/1.4 明显变锐！

与此同时，画面中心 2/3 范围内的画质都呈现较为细腻的状态（实线虚线重合程度高，趋势较为一致），与此同时镜头的 100LP/MM 超高频表现仍稳定在约 30-35% 反差的水平，属于虽然较弱但能够被传感器捕捉的水平。

T/2（f/1.9）

图示为 10-30-50-100-200-300LP/MM 

在 f/1.9 的时候，Master Prime 50mm 已变得极为纤毫毕现，10LP/mm 几乎达到天花板，即使是极高频的 300LP/MM 都能有超过 30% 的反差，而 200LP/MM 已经是很多不错的民用摄影镜头的分辨率极限了。

T/2.8（f/2.7）

图为 10-50-100-200-300-400 LP/MM 

此时我已经放弃了 30 线对，因为它已经无助于说明 Master Prime 50mm 此时的残暴性能。在接近 2/3 的像场内，Master Prime 50 都能将 MTF50 保持在约 150-200 LP/MM， 同时它的 MTF30 也达到惊人的 200-250 LP/MM。底下的浅蓝色线是 400 LP/MM，这是一个绝大多数顶级镜头也无法企及的分辨率阈值。

T4（f/3.9）

图为10-50-100-200-300 LP/MM。

相比上一张图，300 线对的反差有所减低，而 400 线对我们没有提供。因为在残余像差和衍射极限的作用下，它已经过了最佳光圈。换句话说，Master Prime 50mm 的最佳光圈其实是 T/2.8 附近。在 T/4 这一光圈下，镜头的反差趋于平均，孔径相关的像散和高阶球差进一步减少，使得画面 3/4 以外的区域也有接近中心区域的表现。

T/5.6 以后就不放了，高频不死，只会逐渐凋零。

Master Prime 50mm 有一个需要注意的问题是，这个镜头对于镜头尾部到 CMOS 的距离可谓极为敏感，同样是 T/2 光圈，下面为大家展示完全不同的表现：

这是镜后距 36.005mm 的表现

这是镜后距 36.015mm 的表现。仅仅 0.01mm，画面中心区域的高频分辨率，相差有如早期适马与蔡司。这进一步提示我们，镜头后焦调试的重要性。

色球差 & 畸变

可见镜头有较弱的焦外色散，主要是 435nm 蓝紫光导致的红-蓝色散。从红光到蓝紫光，不同波长呈现出非常相似的球差曲线，可见蔡司的 APO 确实是做到了对每个波长都严格消像差。畸变接近 1%，比预想的大一点但还好。

图示，当我们以绿光焦点为标准时，其他波长的光线聚焦的位置与绿光的差异，这有助于判断焦外色散的程度。蓝紫光与红光相差约 40 微米，算是比较好的表现。但不如近年来新出的一些镜头，也比自家 Super Achromat 250mm f/5.6 要大一些。毕竟是 f/1.2 的镜头，色球差的矫正是非常困难的。

图示为 Master Prime 50mm 的照度曲线，从左至右为镜头中心至边角的亮度变化，以中心点为 100%。可见镜头的暗角被控制到极低的水平，几乎肉眼不可察觉。（其实这个项目应该实拍，更有说服力）

图示为专利计算的 Master Prime 50mm 的全开光圈弥散圆亮度分布，看起来是有点荷包蛋样的焦外，前景散景不错，后景可能有点二线性。这一项当以实拍为准。

总结

Master Prime 50mm T/1.3 确实有相当不错的光学素质，在分辨率、色散、畸变、暗角等方面都有着相当出色的表现，不愧是当代最顶级的电影镜头序列之一。

这个世界上没有玄学，只有科学

硬核镜头分析 · 摄影入门教程 · 新鲜器材速递

你的每一次分享，都在让科学的摄影观惠及更多的人

热爱摄影的人都关注我了

设计师图片来自：https://library.creativecow.net/article.php?author_folder=kaufman_debra&art

折射率曲线图片来自：https://refractiveindex.info/