論鏡頭設計的標準和考量因素 design principles of leica lenses

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1、论镜头设计的标准和考虑因素DesignPrinciplesofLeicaLenses作者ErwinPuts/译者莫扎特搜集狂,Camerafan作者介绍ErwinPuts生于荷兰，是一位十足理性导向的光学研究人员及文字工作者，同时也是徕卡爱好者。德国徕卡总公司相当地欣赏他在光学理论上的卓越成就，因此每当有新款镜头问世，都会委托他当作顾问，为新产品进行测试及评估。他特别为LEICA相机设立了一个Erwin'sPhotosite，提供了十分丰富的徕卡相机镜头的信息，是徕卡迷必访的网站圣地。译者介绍莫扎特搜集狂，徕卡迷俱乐部基本教义派成员之一:)Came

2、rafan，来自中国的徕卡迷朋友。前言今天，设计一款镜头（光学工程师口中所谓的光学系统），似乎是一件轻而易举的小事。市面上有数以千计的光学专利，其中不乏一些知名的设计。已经变成公共财产的设计公式更是有好几百种。你可以随便用铅笔画一画草稿，计算机程序就会以闪电般的速度帮你完成其它部分的修改。闪电般的速度？没错！但是计算机能自动生产出经典名镜？门都没有！真正设计经典名镜的部位，是光学设计师的头脑。就好像你得弄清楚自己想去哪里，这样地图才派得上用场一样，一般商业用光学设计软件可以将一些设计最佳化，但是如果原始设计有问题，即使再怎样矫正，也是无用。全球各国

3、的光学厂商使用类似的计算机辅助设计程序。这些广泛被摄影工业采用的软件包括Code-V、Sigma、ZEMAX等，但是他们的设计成果却大相径庭。镜头的设计是一种创意，依靠的是丰富的经验，以及对光学特性的一种直觉。这是目前徕卡总公司设计镜头的准则。镜头设计初体验任何镜头，不论是新款或旧款镜头，都是由所谓的「镜头特性」（lensdescription）来区别的，诸如用：镜片数量、玻璃种类、曲面半径、镜片厚度、镜片群间距这些数据，来描述一款镜头。一道光线（这里的光线是一种数学概念）由主体发出，通过镜片表面，就会产生折射或散射。这是高中程度的物理学。光线折射

4、程度由玻璃的散射系数（refractionindex）来决定，假如光学设计师知道光线接触到第一片镜片的点和入射角，他就能相当精确地计算出这一道光线折射的路径，从而追踪出光线的轨迹。我们也知道，点光源向四面八方辐射出光线（即光子[photons]），而只有部分光子会穿过镜片。经由数学方程式仿真，光学设计师假设：所有进入镜头的光子能量都可被视为许多单一的光子射线（以后简称为光线）。这束光线经过镜片群的轨迹也都能被计算追踪出来（详图1）。光学设计师由光轴（opticalaxis）中心的某一「点」开始追踪数道光线的轨迹。这里所指的「点」，指的不仅是主体上的

5、某一点位置，其实也正是在底片感光药膜面上成像的那一个点。亦即：从主体某点发射（或反射）出来的所有光线，理论上应该汇集在成像平面上的同一点上。这就是著名的高斯成像（Gaussianfiction）。这一点越靠近光轴中心，高斯成像的预算结果就越准确。这是「对位光轴学」的讨论范围。高斯成像公式对熟练的光学工程师来说，是很简单的。但是，这种公式至少得计算到小数点后5~8位数才够精确。在高速计算机发明之前，为了计算这些光学公式，唯一的方法，就是使用对数表以人工计算。在三○年代，光学设计师靠着对数表，一天只能完成50道表达式，每一道表达式都必须检查两遍，因为在

6、计算时很容易发生错误。如果7被当成9，就会导出很严重的错误。所以当时的光学表达式都讲求缮写时要非常清晰，不能草草了事。我曾经非常荣幸地在徕卡总公司拜读过当年徕兹（Leitz）公司所保存下来的光学设计原稿，以及大量的计算图表，全部缮写得非常工整，以便阅读或供其它部门拷贝。这些都是早期光学设计师的心血结晶。一只6片镜群的设计，每一个镜片表面都要计算200道光线的轨迹折射，整组镜头要3000道运算，这需要足足计算三个月的时间。这些原稿从来都不曾公开过，因此早年在徕兹公司的光学设计工作是难以想象的艰辛。光学设计的漫漫长路与幻想传奇如果说，当年的经典名镜设计

7、都是由「某一个设计大师」自己苦心孤诣多年所创造出来的的光学杰作，那才是是个神话！在现实生活中，通常是由一位设计主管负责指导一群大部份是女性的工作者，并由她们负责大量且重要的计算工作。设计主管指导整个设计，他从手下的计算中获得数据，并从中决定究竟是继续原设计还是要做调整。在大多数场合中，斜向光线的光学计算公式，对光轴轴心的光学计算没有太大帮助。但大光圈设计或广角镜头的设计，由于光线的进入角度很大，因此要非常慎重考虑斜向进入镜头的光线。平行进入的光线对于中央区域的成像很重要，但对于远离像场中央区域的成像则不具有多大的意义。斜向进入镜头的光线可以分为垂直

8、的和水平的两个平面（详见徕卡研究院「LEICAASPH的威力」一文）。经过垂直面的称为切线（tangential）光线，经