索尼Xperia1 Mark3：变焦长焦的光学设计

索尼新的X1M3有一个很大的新设计在于70/105mm F2.3/2.8的长焦镜头（这是一个小CIS，70/105事等效焦距）

尽管，索尼这个镜头似乎事被迫固定两个焦距切换。这或许会给你一个感觉这事一个两个焦距切换的定焦镜头，但是当你看他的镜头设计，却会发现这是一个普遍的变焦镜头。

变焦镜头：每个镜组的功能

首先在这之前，需要简单的对镜头的大约的分组：

可以看到，抛开最前面的反射镜，这个镜头大致事拥有3组的镜片。

可以看到明显中间的一组的镜片，是一个非球面镜片，且要比前面一组更大。这需要简单的判断一下，因为实际光线的入射角范围，如果前镜组的焦距足够长，后面的镜头就需要更大的直径，不然这种情况会使的边缘亮度有明显的损失。而正是因为这样，所以后面的镜片需要更大的直径。这里，可以计算70mm下，入瞳直径在大约4.4mm，在105mm下，入瞳直径在大约5.4mm，前镜组的直径在大约7.74mm。这意味着必须是中间的变焦镜组的直径成为限制（光阑），这就需要前组镜片事负焦距的。而提到边缘亮度的问题，这种情况下如果前镜组不是负焦距的，镜头中心的亮度会比边缘高（光轴上光线的入瞳高于边缘），并且中心的亮度不会随变焦变化。所以这里应该就是一个负焦距的前组镜片（这其实也是很多变焦镜头典型的设计），这样才能使得整个像场的亮度保持相对均匀，并且实现在变焦的过程中的入瞳直径变化。

整个镜头在F2.3-2.8，而前镜组甚至可能是负焦距的。所以第二组镜组需要更短的焦距和F值，而随着镜片对光的扭曲程度增加，第二组镜片就只有两个选择。

1. 选择焦距更长的多片镜面合成短焦距缓解球差。
2. 使用非球面镜片。

可以看到，索尼这里的第二组镜片就是使用了非球面镜片的两片镜片，考虑到还需要考虑色差的矫正，这两篇镜片应该构成了ED镜片组，也就是消色差镜组。

这里就可以拉到，索尼的动画：

索尼的动画中，中间的变焦镜组（the focal lens unit）移动也需要伴随尾部的对焦镜组（the AF unit）的移动。

这个可以通过高斯公式表现：

这里可以将模型变为前面的负焦距，对于中间的变焦镜组来说，相当于从一个叫近距离发射的光源，拥有较短的一个物距U。这里计算在物距U变化（变焦镜组前移）下的像距（V变化）

这里假设U:V=2:1，U从2缩短到1.7

可以看到，随着变焦镜组的前移（U减小），像距虽然在变大，但是总长度在不断减小。而索尼的变焦长焦的前组镜片和CIS事不变的，这会使得无限远成像的焦平面前移，镜头的对焦距离变近。

所以在这里，就需要移动后组镜片进行重新对焦。

这里就是整个变焦的实现。

可以看到，这个镜头依旧是一个传统的变焦镜头。实际上，只要对焦镜组的行程足够，并且 变焦镜组可以通过类似对焦镜组移动的方式去移动，这也完全就可以做成连续变焦。

变焦镜头：成像优化

变焦镜头就必须要提到镜头的优化问题。天文望远镜是一种用途极端单纯的成像系统，它只需要优化无限远的焦平面上的成像，所以这一点上天文望远镜可以用其他情况下根本不敢用的光学结构实现自己用途下的极端的像质。而通常的定焦镜头，就需要考虑不同对焦距离下的像质，而且像质也不再是焦平面上的问题，你还需要考虑焦外的画质，这使得定焦镜头实际上还需要损失焦平面上的画质去权衡焦外。而变焦镜头的问题还在于你在定焦的基础上还需要权衡两个甚至更多焦距下的画质，这使得变焦镜头能追上定焦的画质就属于很不错的那种。

一方面70-105其实变焦比并不大，显得很没意义。并且还把光学优化的问题高的更复杂了，甚至还有F2.8的实际上比市面上其他定焦的折反射长焦还要大的光圈，很难说镜头原生的画质能有多好。虽然，这东西属于很少见的实现，但是却也显得十分徒劳。

不过至少有一点，70mm下的4.4mm入瞳直径，105mm下的5.4mm入瞳直径，至少这方面是超越了主摄的极限（4mm附近）的。