今天的鏡頭設(shè)計(或者像光學(xué)設(shè)計者稱之為光路設(shè)計)似乎是小菜一碟：在鏡頭的資料庫中有成千上萬的設(shè)計專利的展示，并且有許多是公開發(fā)表的。你似乎可以從大致的設(shè)計構(gòu)思著手，然后利用高速的計算機系統(tǒng)為你的設(shè)計草圖進行優(yōu)化，達到你實際想要達到的目標(biāo)。

但問題是，計算機能夠生成一個優(yōu)秀的鏡頭設(shè)計嗎？當(dāng)然是不可能的。真正的設(shè)計其實是源自于人的大腦，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)計系統(tǒng)當(dāng)然可以為你優(yōu)化鏡頭設(shè)計，但如果設(shè)計的出發(fā)點本身是不足的，那么你是很難更正它的。在光學(xué)設(shè)計部門中目前大量使用了計算機，但它也毫不例外地表明了計算機及其計算機程序本身是無法給你找到全部答 案的。

鏡頭設(shè)計是極具創(chuàng)造力的工作，它必須基于經(jīng)驗和敏銳的洞察力來了解各種各樣光學(xué)象差的特性。

首先讓我們來看一些鏡頭設(shè)計的基本原理

任何鏡頭，不管是新的還是老的，都可以用“鏡頭描述”這個術(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、以及每個鏡片的直徑等等。這些都是用來全面描述一個鏡頭的參數(shù)。當(dāng)發(fā)自于某個物體的光線穿過玻璃表面時，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。

光線折射量取決于玻璃的折射率。如果鏡頭設(shè)計者能知道光線射入鏡頭前鏡片時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。我們知道任何一個點光源發(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)計者也假設(shè)通過簡單的數(shù)學(xué)來計算通過鏡頭的能量(那些被視為一系列的各自獨立的光線)可以追蹤那些光線的路徑。

鏡頭設(shè)計者首先從光軸上的某點開始追蹤少量的光線。這里所假設(shè)的是每個物象點都會在膠片平面上形成于之相對應(yīng)的點，所以發(fā)自物體的光線都將被轉(zhuǎn)化為這樣的成相點，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，設(shè)計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) 。盡管計算公式相當(dāng)簡單(至少對有經(jīng)驗的設(shè)計者來說)，但要求對于這些數(shù)字的計算精確到小數(shù)點后5~8位。

在機械和電子計算機到來之前，計算這些數(shù)值的唯一方法是借助于對數(shù)表。在30年代，每天只能達到50個這樣的計算量。因為很容易出錯，每個數(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。我曾經(jīng)有機會看到Leitz早期在Solms的設(shè)計成果，那些長串的數(shù)字，為了易于識別和拷貝而認真書寫的字體，都表明了當(dāng)時的工作是何等的辛勞。例如，對于一個有6片鏡片的鏡頭設(shè)計，每個鏡片的表面需要計算200條光路，整個鏡頭的計算量到達了3000條光路，需要3個月才能完成全部計算。很令人吃驚的是當(dāng)時Leitz的工作和組織方式(直到最近Leitz才第一次透露)。

鏡頭設(shè)計者對他的設(shè)計所傾注的浪漫構(gòu)思理所當(dāng)然的是個迷

在現(xiàn)實設(shè)計中，設(shè)計主管負責(zé)一組工作者，其中大部份是女性，她們負責(zé)大量的計算工作中非常重要的一部分。設(shè)計主管指導(dǎo)整個設(shè)計，他從手下了解的大量光學(xué)計算式中獲取結(jié)果，從中決定究竟是繼續(xù)原設(shè)計還是對設(shè)計進行調(diào)整。對于任何重要的攝影光學(xué)而言，平行光軸光學(xué)的計算是沒有太大用處的。

對于大口徑鏡頭的設(shè)計而言，由于光線的進入量大，因此考慮斜向進入鏡頭的光線就非常重要，考慮平行進入的光線對于中央?yún)^(qū)域的成象很重要，但對于遠離象場中央?yún)^(qū)域的成象則不具有多大的意義。斜向進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算了。但這些公式極為復(fù)雜和繁瑣，手工計算幾乎是不可能的。即使對于現(xiàn)代的電子計算機來說也不是一件容易的事。

因此在現(xiàn)實設(shè)計中設(shè)計者都力圖避免那些計算(徑向光線)，或者只進行近似計算，Leitz和Zeiss都是這樣做的。最終的計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。