今天的
鏡頭設(shè)計(jì)(或者像
光學(xué)設(shè)計(jì)者稱之為光路設(shè)計(jì))似乎是小菜一碟：在鏡頭的
資料庫中有成千上萬的設(shè)計(jì)專利的展示，并且有許多是公開發(fā)表的。你似乎可以從大致的設(shè)計(jì)構(gòu)思著手，然后利用高速的計(jì)算機(jī)
系統(tǒng)為你的設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到你實(shí)際想要達(dá)到的目標(biāo)。
~,5gUl?Il 但問題是，計(jì)算機(jī)能夠生成一個(gè)優(yōu)秀的鏡頭設(shè)計(jì)嗎？當(dāng)然是不可能的。真正的設(shè)計(jì)其實(shí)是源自于人的大腦，就如導(dǎo)航儀器只能在你給它指定明確的目標(biāo)之后才可以幫助你找到正確的航線一樣。商業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)然可以為你優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)，但如果設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)本身是不足的，那么你是很難更正它的。在
光學(xué)設(shè)計(jì)部門中目前大量使用了計(jì)算機(jī)，但它也毫不例外地表明了計(jì)算機(jī)及其計(jì)算機(jī)程序本身是無法給你找到全部答 案的。
-1U D0( 鏡頭設(shè)計(jì)是極具創(chuàng)造力的工作，它必須基于經(jīng)驗(yàn)和敏銳的洞察力來了解各種各樣光學(xué)象差的特性。
6u7?dG'4 首先讓我們來看一些鏡頭設(shè)計(jì)的基本原理
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IC" 任何鏡頭，不管是新的還是老的，都可以用“鏡頭描述”這個(gè)術(shù)語來區(qū)分鏡片的數(shù)量、玻璃的種類、鏡片的曲面半徑、鏡片的厚度、鏡片與鏡片之間的距離、以及每個(gè)鏡片的直徑等等。這些都是用來全面描述一個(gè)鏡頭的
參數(shù)。當(dāng)發(fā)自于某個(gè)物體的
光線穿過玻璃表面時(shí)，該束光線會被折射，就如我們在中學(xué)物理課本中學(xué)到的物理知識所描述的那樣。
j+["J Xy 光線折射量取決于玻璃的折射率。如果鏡頭設(shè)計(jì)者能知道光線射入鏡頭前鏡片時(shí)的確切入射位置以及入射角度，他就可以通過光線理論系統(tǒng)精確地追蹤光路。角度和距離可以通過三角函數(shù)的正弦和余弦算出來。因此通過簡單的平面幾何，光線途經(jīng)的線路就可以被追蹤到。我們知道任何一個(gè)點(diǎn)
光源發(fā)出的能量都是散射的，并無任何方向行可言。只有部分能量通過鏡頭，而且設(shè)計(jì)者也假設(shè)通過簡單的數(shù)學(xué)來計(jì)算通過鏡頭的能量(那些被視為一系列的各自獨(dú)立的光線)可以追蹤那些光線的路徑。
8$; =Uf,x 鏡頭設(shè)計(jì)者首先從光軸上的某點(diǎn)開始追蹤少量的光線。這里所假設(shè)的是每個(gè)物象點(diǎn)都會在膠片平面上形成于之相對應(yīng)的點(diǎn)，所以發(fā)自物體的光線都將被轉(zhuǎn)化為這樣的成相點(diǎn)，并且具有同樣的相對位置。這就是高斯成相(Gaussian Fiction)。對應(yīng)那些靠近光軸的點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以有理由相信高斯成象是相當(dāng)精確的，這就是平行光軸光學(xué)(Paraxial Optics) 。盡管計(jì)算公式相當(dāng)簡單(至少對有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者來說)，但要求對于這些數(shù)字的計(jì)算精確到小數(shù)點(diǎn)后5~8位。
;[ u %_ 在機(jī)械和電子計(jì)算機(jī)到來之前，計(jì)算這些數(shù)值的唯一方法是借助于對數(shù)表。在30年代，每天只能達(dá)到50個(gè)這樣的計(jì)算量。因?yàn)楹苋菀壮鲥e(cuò)，每個(gè)數(shù)字都得核對2次才行，比如說，不要把“7” 看成“9” ，而且還有保證手寫的字體要工整，容易辨認(rèn)。我曾經(jīng)有機(jī)會看到Leitz早期在Solms的設(shè)計(jì)成果，那些長串的數(shù)字，為了易于識別和拷貝而認(rèn)真書寫的字體，都表明了當(dāng)時(shí)的工作是何等的辛勞。例如，對于一個(gè)有6片鏡片的鏡頭設(shè)計(jì)，每個(gè)鏡片的表面需要計(jì)算200條光路，整個(gè)鏡頭的計(jì)算量到達(dá)了3000條光路，需要3個(gè)月才能完成全部計(jì)算。很令人吃驚的是當(dāng)時(shí)Leitz的工作和組織方式(直到最近Leitz才第一次透露)。
O2f-5Y$@ '{ V0M<O 鏡頭設(shè)計(jì)者對他的設(shè)計(jì)所傾注的浪漫構(gòu)思理所當(dāng)然的是個(gè)迷
7[5.> h 在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)主管負(fù)責(zé)一組工作者，其中大部份是女性，她們負(fù)責(zé)大量的計(jì)算工作中非常重要的一部分。設(shè)計(jì)主管指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)，他從手下了解的大量光學(xué)計(jì)算式中獲取結(jié)果，從中決定究竟是繼續(xù)原設(shè)計(jì)還是對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。對于任何重要的攝影光學(xué)而言，平行光軸光學(xué)的計(jì)算是沒有太大用處的。
Gr^E+#; 對于大口徑鏡頭的設(shè)計(jì)而言，由于光線的進(jìn)入量大，因此考慮斜向進(jìn)入鏡頭的光線就非常重要，考慮平行進(jìn)入的光線對于中央?yún)^(qū)域的成象很重要，但對于遠(yuǎn)離象場中央?yún)^(qū)域的成象則不具有多大的意義。斜向進(jìn)入鏡頭的光線可以分為兩部分：垂直的和水平的。經(jīng)過垂直面的稱為切線光線，經(jīng)過水平面的稱為徑向光線。這部分的光路則需要特殊的公式來計(jì)算了。但這些公式極為復(fù)雜和繁瑣，手工計(jì)算幾乎是不可能的。即使對于現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)來說也不是一件容易的事。
b7wvaRe. 因此在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者都力圖避免那些計(jì)算(徑向光線)，或者只進(jìn)行近似計(jì)算，Leitz和Zeiss都是這樣做的。最終的計(jì)算毫無例外的都是折衷的結(jié)果，即有已知因素，也有未知因素。
1r] Io gI % Cv D-![0 象差
<\}KT*Xp 我們都知道光線是由不同
波長的有顏色光波組成的，而且當(dāng)光線進(jìn)入鏡頭時(shí)不同波長的光波具有其獨(dú)特的光學(xué)路徑，我們已經(jīng)知道理想的光線不可避免的被鏡片所干擾而產(chǎn)生象差。鏡頭設(shè)計(jì)的第一要素就是對這些象差進(jìn)行了解和控制。通過三角幾何函數(shù)可以計(jì)算出校正的光線路徑和現(xiàn)實(shí)的偏移量，這兩者之差被稱為光線路徑差，使用來控制象差的依據(jù)。典型的象差有球面象差，暈光和失光。在30年代，盡管對象差進(jìn)行了量化，卻始終成為鏡頭設(shè)計(jì)的困擾因素。
C@L$~iG 象差的方程式是個(gè)多元方程式，每個(gè)元素代表一項(xiàng)已知的象差，它的系數(shù)代表它的重要性程度和它在影響成象質(zhì)量下降方面的大小。所有象差之和可以歸納為：象差= aSA+bC+cA(SA：球面象差；C=Coma，暈光；A=Astigmatism，失光；a，b，c：加權(quán)值)。
f^"N!f a 過去，由于對象差的了解需要大量的計(jì)算，光學(xué)設(shè)計(jì)者對象差的理解僅僅局限于某些理論知識上，而現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用非常有限。因此對于特殊光路的校正方面的知識是不完善的。于是我們就毫不奇怪對于Zeiss的Sonnar和Leitz的Summar孰好孰差的爭論會從那時(shí)一直延續(xù)到現(xiàn)在。設(shè)計(jì)者只有從設(shè)計(jì)草圖著手才能知道該如何大概校正鏡頭設(shè)計(jì)。
jg\Z ;_!W 對于設(shè)計(jì)者來說如果想對象差進(jìn)行校正，就必須能夠知道特定象差對于成象會造成什么影響。球面象差會影響象場中央部分的成象，象面彎曲的程度說明了角部的校正情況，諸如此類。然而這仍然是簡單的說法。所以的象差都會對整個(gè)畫面產(chǎn)生影響，象差只有一種效果：發(fā)自物體某點(diǎn)的光線的能量不能夠完全聚集于其對應(yīng)的成象點(diǎn)上，而是形成一個(gè)模糊圈，并且模糊圈之內(nèi)光線的分布也不是均衡的，而是毫無規(guī)律可言。事實(shí)上，模糊圈也不是個(gè)完美的圓圈，而是不規(guī)則的形狀，它的形狀，光線在其中的分布以及模糊圈在成象面上的確切位置都是所以象差共同作用的結(jié)果。
W^] 3XJP 象差是多種多樣，為方便起見我們可將之歸為三大類：3級象差，5級象差，7級象差，“3”、“5”、“7”代表上面各種象差在方程式的指數(shù)。為我們所熟知的是3級象差，也被稱為賽德爾(Seidel)象差，它的名字源自于第一個(gè)對其用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行全面描述的人�！暗�3級”這樣的命名確實(shí)容易令人迷惑：3級象差是所以象差中最重要的，從這方面而言它是第一級的。就目前而言，要想把所以的3類等象差控制在滿意的程度是非常困難的，問題的關(guān)鍵是：當(dāng)你把所有的3級象差都控制好了之后，你將會碰到來自5級象差的干擾。和3級象差相比，它們更加多變和難以控制。其結(jié)果就是一旦3級象差得到了很好的控制而使得成象的模糊圈變的很小了之后，新的象差又產(chǎn)生了，而且這些新的象差對畫面的影響會使你更為沮喪。象差造成的結(jié)果通常都是一樣的：降低反差，使整個(gè)畫面變的模糊。象差對成象的影響是致命的，這也是為什么MTF成為現(xiàn)代鏡頭設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具之一。MTF可以告訴你你的鏡頭設(shè)計(jì)需要在什么地方加以改進(jìn)。
viMzR(J U 現(xiàn)在我們應(yīng)該理解為什么老的鏡頭設(shè)計(jì)就是那么回事了。首先是對于高等級象差在理論知識方面就欠缺，要想很好的校正賽德爾(Seidel)象差，設(shè)計(jì)者將不得不面對巨大的計(jì)算工作。因此設(shè)計(jì)者通常是從創(chuàng)造靈感或者先前的著名著手，勾勒出大致的光路草圖。如果草圖看上去是很有前途的就繼續(xù)設(shè)計(jì)。為了在合理的時(shí)間和預(yù)算內(nèi)達(dá)到結(jié)果(那時(shí)候的資金是很有限的)，設(shè)計(jì)者省略一部分光學(xué)計(jì)算，當(dāng)準(zhǔn)確計(jì)算不可能的時(shí)候就利用近似法 ，并且使用那些已經(jīng)準(zhǔn)確掌握其特性的光學(xué)玻璃。
Ksy -e{n 當(dāng)然了，賽德爾(Seidel)象差是不可能完全被校正的，設(shè)計(jì)者將不得不尋求校正的 平衡，或者盡量減少它們的影響。但即使是這種平衡本身的效果也是有限的。以雙高斯結(jié)構(gòu)為例，該設(shè)計(jì)本身就具有一定量的斜向球面象差(OLA=Oblique Spherical Aberration)，但另一方面，這種結(jié)構(gòu)能很好的校正象散。斜向球面象差在徑向上的表現(xiàn)比切線上要厲害的多。為了平衡徑向的球面象差我們就需要接受一定量的3級象差以使LOA在徑向上和切線上基本接近，但隨之則產(chǎn)生了一定程度的暗角現(xiàn)象(Vignetting)！是的，非常有趣的現(xiàn)象。實(shí)際上，許多設(shè)計(jì)(包括新的和老的設(shè)計(jì))都把暗角來作為一種設(shè)計(jì)工具。業(yè)余的鏡頭測試報(bào)告經(jīng)常來批判某些鏡頭的暗角現(xiàn)象，殊不知一定程度的暗角是可以提高成象質(zhì)量的。
UmclTGn 最顯著的例子就是Leitz的Noctilux f/1.2，該鏡頭的暗角要比Cannon 50/1.2要來的嚴(yán)重，然而在它全開光圈時(shí)的畫面質(zhì)量卻比Cannon要好的多。因此老一輩鏡頭設(shè)計(jì)的天才們(Berek，Bertele)走了兩條路：第一，要首先創(chuàng)造一個(gè)本身就很少有象差的基本設(shè)計(jì)而且這個(gè)設(shè)計(jì)可以被加以校正。Tessa就是這樣的例子，設(shè)計(jì)者在同時(shí)也不得不考慮其它的諸多變量，這是成功設(shè)計(jì)的第一步。
Nd cg/ d 下一步，也是更為重要的一步，就是要使你的設(shè)計(jì)具有足夠的生產(chǎn)加工的 寬容 度 (Sufficient Production Tolerances) 。老的設(shè)計(jì)如Hektor 2.5/50就是因?yàn)樯a(chǎn)加工的寬容度太小而導(dǎo)致成本太高。
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