今天的鏡頭設計(或者像光學設計者稱之為光路設計)似乎是小菜一碟：在鏡頭的資料庫中有成千上萬的設計專利的展示，并且有許多是公開發(fā)表的。你似乎可以從大致的設計構思著手，然后利用高速的計算機系統(tǒng)為你的設計草圖進行優(yōu)化，達到你實際想要達到的目標。 jK^'s6i#  
但問題是，計算機能夠生成一個優(yōu)秀的鏡頭設計嗎？當然是不可能的。真正的設計其實是源自于人的大腦，就如導航儀器只能在你給它指定明確的目標之后才可以幫助你找到正確的航線一樣。商業(yè)鏡頭設計系統(tǒng)當然可以為你優(yōu)化鏡頭設計，但如果設計的出發(fā)點本身是不足的，那么你是很難更正它的。在光學設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。 `_6!nkq8  
鏡頭設計是極具創(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象差的特性。 |*im$[g=-  
首先讓我們來看一些鏡頭設計的基本原理 ^p0BeSRiy;  
任何鏡頭，不管是新的還是老的，都可以用“鏡頭描述”這個術語來區(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，就如我們在中學物理課本中學到的物理知識所描述的那樣。 4u zyU_  
光線折射量取決于玻璃的折射率。如果鏡頭設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，而且設計者也假設通過簡單的數(shù)學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。 pA*cF!tq7  
鏡頭設計者首先從光軸上的某點開始追蹤少量的光線。這里所假設的是每個物象點都會在膠片平面上形成于之相對應的點，所以發(fā)自物體的光線都將被轉化為這樣的成相點，并且具有同樣的相對位置。這就是高斯成相(Gaussian Fiction)。對應那些靠近光軸的點，設計者可以有理由相信高斯成象是相當精確的，這就是平行光軸光學(Paraxial Optics) 。盡管計算公式相當簡單(至少對有經(jīng)驗的設計者來說)，但要求對于這些數(shù)字的計算精確到小數(shù)點后5~8位。 bX:ARe O  
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。很令人吃驚的是當時Leitz的工作和組織方式(直到最近Leitz才第一次透露)。 U
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鏡頭設計者對他的設計所傾注的浪漫構思理所當然的是個迷 &Oq&ikw  
在現(xiàn)實設計中，設計主管負責一組工作者，其中大部份是女性，她們負責大量的計算工作中非常重要的一部分。設計主管指導整個設計，他從手下了解的大量光學計算式中獲取結果，從中決定究竟是繼續(xù)原設計還是對設計進行調(diào)整。對于任何重要的攝影光學而言，平行光軸光學的計算是沒有太大用處的。 + (cTzY  
對于大口徑鏡頭的設計而言，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。 ~5HI9A4^  
因此在現(xiàn)實設計中設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果，即有已知因素，也有未知因素。 1|VnPQqA  
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象差 *FkG32k  
我們都知道光線是由不同波長的有顏色光波組成的，而且當光線進入鏡頭時不同波長的光波具有其獨特的光學路徑，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。鏡頭設計的第一要素就是對這些象差進行了解和控制。通過三角幾何函數(shù)可以計算出校正的光線路徑和現(xiàn)實的偏移量，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，盡管對象差進行了量化，卻始終成為鏡頭設計的困擾因素。 F(8>"(C  
象差的方程式是個多元方程式，每個元素代表一項已知的象差，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：加權值)。 3+;}2x0-F  
過去，由于對象差的了解需要大量的計算，光學設計者對象差的理解僅僅局限于某些理論知識上，而現(xiàn)實的應用非常有限。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一直延續(xù)到現(xiàn)在。設計者只有從設計草圖著手才能知道該如何大概校正鏡頭設計。 :o}Ju}t  
對于設計者來說如果想對象差進行校正，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畫面產(chǎn)生影響，象差只有一種效果：發(fā)自物體某點的光線的能量不能夠完全聚集于其對應的成象點上，而是形成一個模糊圈，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。事實上，模糊圈也不是個完美的圓圈，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果。 Uu9\;f  
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對其用數(shù)學方法進行全面描述的人。“第3級”這樣的命名確實容易令人迷惑：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，問題的關鍵是：當你把所有的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。象差造成的結果通常都是一樣的：降低反差，使整個畫面變的模糊。象差對成象的影響是致命的，這也是為什么MTF成為現(xiàn)代鏡頭設計的強大工具之一。MTF可以告訴你你的鏡頭設計需要在什么地方加以改進。 V=}b>Jo2j  
現(xiàn)在我們應該理解為什么老的鏡頭設計就是那么回事了。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，設計者將不得不面對巨大的計算工作。因此設計者通常是從創(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)設計。為了在合理的時間和預算內(nèi)達到結果(那時候的資金是很有限的)，設計者省略一部分光學計算，當準確計算不可能的時候就利用近似法 ，并且使用那些已經(jīng)準確掌握其特性的光學玻璃。 ^3N
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當然了，賽德爾(Seidel)象差是不可能完全被校正的，設計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。以雙高斯結構為例，該設計本身就具有一定量的斜向球面象差(OLA=Oblique Spherical Aberration)，但另一方面，這種結構能很好的校正象散。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。實際上，許多設計(包括新的和老的設計)都把暗角來作為一種設計工具。業(yè)余的鏡頭測試報告經(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。 PF-7AIxs"  
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要來的嚴重，然而在它全開光圈時的畫面質(zhì)量卻比Cannon要好的多。因此老一輩鏡頭設計的天才們(Berek，Bertele)走了兩條路：第一，要首先創(chuàng)造一個本身就很少有象差的基本設計而且這個設計可以被加以校正。Tessa就是這樣的例子，設計者在同時也不得不考慮其它的諸多變量，這是成功設計的第一步。 kne{Tp  
下一步，也是更為重要的一步，就是要使你的設計具有足夠的生產(chǎn)加工的 寬容 度 (Sufficient Production Tolerances) 。老的設計如Hektor 2.5/50就是因為生產(chǎn)加工的寬容度太小而導致成本太高。 dFF