鍵攝者說：聊聊關於機身卡口的那些事
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——蘭拓實驗室——科普欄目下檢視。
【前言】
對於一套可換鏡頭的相機系統來說，連線機身和鏡頭的卡口地位相當重要，而又時常被忽略——這幾年能引起討論的，也就是尼康F卡口的小尺寸對高規格鏡頭的影響、佳能EF卡口內部收口造成的切光斑問題，以及索尼初代A7的塑膠卡口了。
隨著這兩年各家的新無反相機陸續釋出，卡口規格也是越來越多。各家卡口都有自家獨特的規格，這件事情也在網上引發了一些討論。正好就趁這個機會，為大家系統梳理一下關於卡口在光學方面的影響。
【單反時代卡口與鏡頭的最大規格】
在當年的單反時代，由於法蘭距比較長，大卡口的必要性相對來說顯得比較高。其中一條就是，大卡口方便製作更高規格（最大光圈）的鏡頭。
佳能85mm f/1。2L就是一個超大光圈鏡頭的典型，可以看到最後一片鏡片幾乎佔滿了鏡尾的所有空間，如果不是因為EF是一個大口徑卡口，製作這樣的鏡頭，應該說是幾乎不可能的。
那麼卡口規格和最大可以做出的鏡頭規格有什麼關係呢？其實很簡單：
首先我們有薄透鏡的成像公式：
如上圖，整個系統滿足1/u+1/v=1/f，其中u是物距，v是像距，f是焦距。很顯然的，如果鏡頭對焦於無限遠點，則此時u=∞，1/v=1/f→v=f。
而光圈f/值的定義為f/=f/2OC，如上圖則f/=v/2OC，也就是說在最優情況下（孔徑光闌貼在卡口上），整個系統的最大光圈值就是v/2OC，即法蘭距/卡口口徑。
由於單反系統不可能將鏡尾插入反光鏡箱內（佳能EF-S等特殊設計過的系統除外），所以最大光圈就會受到這個原理的嚴格限制——最典型的就是尼康F卡口，法蘭距是46mm，內徑是44mm，理論上最大隻能做到f/1。05——做f/1。2倒是有可能，但是考慮到自動對焦和卡口觸點結構所佔用的空間，這也是個極難完成的任務。在大光圈鏡頭這塊，單反時代的佳能多年壓制尼康，很大程度上還是依賴於EF卡口大口徑的優勢。
順便這個推理過程還有一個自然的結論：對於某個卡口的系統來說，焦距接近於法蘭距的鏡頭，最容易做出餅乾鏡：
這些鏡頭都是用類似這樣的原理，採用了簡單的對稱結構就可以做出體積小巧、光圈不算小、素質不差的鏡頭，深受人們的喜愛與好評。
不過到了短法蘭距的微單時代，情況發生了一些變化。
首先由於法蘭距的大幅度縮短，鏡頭卡口口徑已經很難成為制約鏡頭光圈規格的因素——索尼E卡口口徑跟尼康F是相同的44mm（連機身蓋都能混著插），但是法蘭距只有18mm，可以做到的鏡頭最大光圈達到f/0。4，這已經不是普通材料能夠完成的任務了，所以可以認為索尼E卡口在鏡頭光圈規格上的限制幾乎等於沒有。
更別說微單的鏡頭和感測器之間沒有反光板一類的東西，鏡尾最後一片鏡片可以插到卡口內部，使得鏡後距小於法蘭距——這也是微單在結構上的其中一個優勢。
這是佳能RF口的35mm f/1。8，可以看到最後一片鏡片實際上突出卡口平面2~3mm，也就是說實際的鏡後距在17~18mm左右。
【微單時代的鏡頭卡口】
如果把徠卡M系列也算作微單的話，現在的微單卡口可以粗略分為兩類，按45mm口徑為界可以劃分為大卡口和小卡口：
典型的大卡口如：佳能RF、尼康Z、徠卡L、富士G、哈蘇X
典型的小卡口如：佳能EF-M、索尼FE、富士X、松下奧巴M43、徠卡M
大卡口和小卡口其實視覺感受上區分挺明顯的：
從直覺上來看，透過佳能的RF卡口我們可以看到完整的全畫幅CMOS，而透過索尼FE卡口我們會注意到全畫幅CMOS的四個角有所遮擋——可能很多人會下意識的以為，這個遮擋會影響全畫幅鏡頭的邊緣畫質，FE卡口做全幅有點勉強之類。但實際上並非如此，主要原因是：鏡頭看CMOS的方式，與我們從肉眼看過去的並不相同。或者說，分析“擋角”（光學裡說的“視場光闌”）對成像的影響不能太想當然，而需要考慮下面這兩個東西：
【出瞳與入瞳】
首先我們複習一下高中的時候就學過的惠更斯原理：
介質中任一波面上的各點，都可以看作發射子波的波源，其後任意時刻，這些子波在波前進方向的包絡面就是新的波面。
也就是說光學系統當中任意一個平面都可以看作是向後發光的光源，根據光路可逆原理也可以看作接收前向光的光屏。
把光闌看作向後發光的光源，其在鏡頭後側鏡片所成的像就叫作光學系統的
出瞳
。同樣的，光闌透過鏡頭前側鏡片所成的像就叫作光學系統的
入瞳。
對於簡單的薄透鏡來說出瞳和入瞳位置是重合的——都在薄透鏡上。
但是對於複雜的光學系統來說，不僅入瞳和出瞳的位置都不與孔徑光闌重合，出瞳和入瞳的有效直徑也完全可以不一樣。大部分鏡頭從前面看進去和從後面看進去的光孔直徑不同，就是這麼個原因。
入瞳的位置就是所有入射光線延長後的交點，很顯然收集了鏡頭前方穿過孔徑光闌的所有光線，實際上也就是鏡頭的
有效口徑
——也就等於焦距/光圈值。而出瞳也類似，是鏡尾出射光線反向延長線的交點。
所以我們看卡口內的時候，等效於是在使用一個“出瞳位置在無限遠處”的鏡頭。但實際上的光學設計不是，實際光學設計出瞳對於卡口、感測器的影響限於以下幾點：
1、出瞳直徑不能太大，不能大於卡口口徑，否則會產生嚴重的暗角和口徑蝕
如圖所示：
感測器的上半部分被遮擋。
這個倒也不是什麼大問題，只需要把出瞳往後挪一下並縮小就好了。索尼E卡口實際上也是這麼解決的，原生卡口鏡頭的出瞳設計都很靠後：
如圖所示，紅藍方塊為兩種結構的出瞳位置，黑色線示意視場角，對於兩種鏡頭來說是相同的。但是藍色的出瞳位置設計就可以顧及像場邊緣。
同樣是35mm f/1。4規格，左側的索尼FE 35mm f/1。4ZA出瞳更加靠近鏡尾，顯得也更小。而EF版本就是一個遠心的“大眼睛”。
2、出瞳也不能太靠後，需要照顧感測器的斜射問題。
最極端的案例是Hologon，出瞳距離CMOS只有幾毫米（單反的反望遠鏡頭出瞳距離焦平面可以達到100mm以上），邊緣的斜射角度高達55度，對於普通的CMOS影象感測器來說這個角度入射的光線接收能力是一個巨大的問題。
3、最後一片鏡片需要覆蓋到所有出瞳光線
這個依然是卡口不能太小的設定，但是透過光學設計也不是不能解決。
所以結論就是毫無疑問了：
所謂“卡口能不能做全幅”這個本身就是偽命題，只要不是很極端的小卡口，哪怕是富士X這種，允許光線斜射進入CMOS的話，做全幅都毫無問題，而且透過適當的光學設計，可以做出光圈f/值不大於法蘭距/卡口口徑的任何鏡頭（移軸除外）。
【卡口的博弈】
但實際上能不能做跟好不好做、做出來效果怎麼樣，是幾個互相獨立的命題。卡口直徑大和卡口直徑小的前提下，要做同樣規格的鏡頭，需要的設計思路和代價也會有所差異。
比如我們來看限制一：出瞳直徑不能大於卡口口徑
對於中焦大光圈鏡頭來說最簡單的鏡頭設計結構是完全對稱的，此時物方和像方光路也對稱，也就意味著出瞳和入瞳重合。但這種設計很明顯就會受到卡口口徑制約——當焦距/光圈值>卡口口徑的時候，就需要另想辦法來把出瞳向後挪，需要增加額外的鏡片或者更換鏡片材料。
所以實際上小卡口影響最大的是超長焦大光圈鏡頭——比如400mm f/2。8GM。不過到了這個規格，其實佳能EF/RF這種卡口也是不太夠用的（雖然受到的影響比索尼小）。差距比較大的應該就是中焦大光圈，比如85mm f/1。4這種。但是這種影響更多增加的是工程人員的設計難度和製造成本，並不能決定最終的畫質、價格等跟你我消費者切身相關的事，所以看最終產品的“療效”相對吵機身卡口尺寸的架來說，意義要現實很多。
廣角方面由於天生出瞳就靠後，這時候就輪到短法蘭距浪出一片天了——限制出瞳位置的不止是卡口口徑，你再怎麼大的卡口也沒法把出瞳做到鏡頭外面對不對。所以單反要做廣角鏡頭，就需要大量的鏡組來把出瞳位置往前移動，這就很尷尬了。所謂短法蘭距的廣角優勢很大程度上也是來源於此。
對比一下loxia 21 2。8和Milvus 21 2。8的設計（綠色虛線示出瞳），短法蘭距在廣角上的優勢還是很明顯的。
而且從光路圖可以看到短後焦距設計實際上除了斜射問題之外對卡口口徑並沒有什麼高要求，如果允許鏡尾嵌入機身的話，甚至可以採用更小口徑的設計。
但這只是單純的光學設計，實際上對於影象感測器來說，斜射光多少會對畫質產生影響。大卡口允許做直射設計的空間相對來說也比較大，也更容易獲得更好的邊緣畫質。當然這只是理論上給的設計空間，實際做不做那就是另一回事情了——每個鏡頭都利用到卡口極限做成健身器材，是一種很不理性，也不太怎麼被市場接受的做法。
那麼小卡口有沒有什麼好處呢？最明顯的好處應該就是低規格系統的便攜性——很簡單，你鏡頭尾部一般不會做得比卡口口徑小，機身一般也不會做得比卡口口徑窄（索尼NEX系列已經是極限了）。也就是說在搭配低規格鏡頭的前提下，你的卡口口徑實際上限制了整個系統的最小尺寸：
上面是一支典型的低規格鏡頭——FE 50mm f/1。8的結構圖。如果FE卡口口徑再小一點，實際上對這支鏡頭也不會有什麼影響。不過此時無論是鏡頭的外殼，還是配套的機身之類，都可以再縮小一點，甚至鏡組結構都可以隨著出瞳一起往後挪，長度都可以再縮短，整體的便攜性進一步提升。
實際上如果從最終的效果來看，如果單反時代的大卡口受限於法蘭距還有一個支撐大光圈鏡頭的意義的話，無反時代的大卡口最大的意義應該就是賦予鏡頭設計人員更高的自由度——大卡口的出瞳可前可後，而小卡口的出瞳不能前只能後，在做鏡頭設計的時候就會比較受限制（但需要澄清一點就是，除了極限移軸之外的規格都是可以做出來的，無非就是設計難度增加，但如何克服這個增加上去的難度是廠商的事情，跟最終產品的表現沒有必然關係，就像找個王者來打鑽石局打得也比黃金選手打白金局要強一樣）。以及更多的是一種宣傳上的利好——單反時代大卡口的優勢太深入人心，佳能尼康的無反系統就不是衝著便攜去的，再做個小卡口毫無必要。
