呵呵，没呢，偶然看到的**...

2万 · 2008-3-13 16:12

莱卡大师论：镜头设计的标准和考虑因素

2006-04-14 09:13作者：Erwin Puts出处：徕卡迷责任编辑：张宁bj

　　作者介绍
　　Erwin Puts 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's Photosite，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 :)
　　Camerafan，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」(lens description)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。
　　光线折射程度由玻璃的散射系数(refraction index)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(optical axis)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(Gaussian fiction)。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的和水平的两个平面(详见徕卡研究院「LEICA ASPH的威力」一文)。经过垂直面的称为切线(tangential)光线，经过水平面的称为径向(sagttigal)光线。这部分的光路则需要特殊的公式来计算了。但这些公式极为复杂和繁琐，人工计算几乎是不可能的。即使对于现代的高速计算机来说也不是一件容易的事。
　　因此在现实设计中设计者都力图避免那些计算(径向光线)，或者只进行近似计算，LEITZ和ZEISS都是这样做的。最终的计算，毫无例外的都是折衷的结果，既有已知变量，也有未知变量。
　　像差
　　我们都知道，光线是由不同波长的色光组成的，而且当光线进入镜头时，不同波长的光波具有独特的光路，我们已经知道理想的光线不可避免的被镜片所干扰而产生像差。镜头设计的第一要素就是对这些像差进行了解和控制。通过三角几何函数可以计算出校正的光线路径和实际的偏移量，这两者之差被称为光线路径差，作为控制像差的依据。典型的像差有:球面像差、彗星像差和像散。说来也很奇妙，虽然我们不是很清楚三○年代以前的早期光学计算工具，但已经有很有用的校正公式可以用来校正光学像差了。
　　校正像差方程式是一个多元方程式，每个元素代表一项已知的像差，它的系数代表它的重要性程度和它在影响成像质量下降方面的大小。所有像差之和可以归纳为:
　　像差 = aSA + bC + cA
　　SA: 球面像差
　　C: 彗星像差 (Coma)
　　A: 像散 (Astigmatism)
　　a, b, c 为加权值
　　过去，由于对像差的校正需要大量的计算，光学设计者对像差的理解仅仅局限于某些理论知识上，而现实的应用非常有限。因此对于特殊光路的校正方面的知识是不完善的。难怪ZEISS的Sonnar和LEITZ的Summar到底孰好孰差的争论，会从那时一直延续到现在。设计人员只有从一张空白的设计草图开始着手，才能知道该如何校正镜头设计。
　　对于设计者来说，如果想对像差进行校正，就必须能够知道某一像差对于影像成像会造成什么影响。球面像差会影响像场中央部分的成像，像面弯曲的程度说明了边角的校正情况……等等。然而这只是简单的解释而已。所有的像差都会对整个画面产生影响，像差只有一种效果:发自物体某点的光线的能量无法完全聚集于其对应的成像点上，而是形成一个模糊圆(Circulation of Confusion)，模糊圆之内光线的分布也不均匀，毫无规律可言。事实上，模糊圆也不是个完美的圆圈，而是不规则的形状，它的形状，光线在其中的分布以及模糊圆在成像面上的确切位置都是所有像差共同作用的结果。
　　像差种类繁多，为方便起见，我们将之归为三大类:第 3 级像差，第 5 级像差，第 7 级像差，「3、5、7」代表上面各种像差在方程式中的指数。我们比较熟知的是第 3 级像差，也被称为希德尔(Seidel)像差，希德尔是第一个对其用数学方法对像差进行全面描述的人。「第 3 级」这样的命名确实容易混淆不清，因为第 3 级像差是所有像差中最重要的，从这方面而言，它应该算「第一级」。即便是在现代，要想把所有像差控制在满意的程度，也是非常困难的。问题的关键是:当你把所有的第 3 级像差都控制好了之后，你将会碰到来自第 5 级像差的干扰。和第 3 级像差相比，它们更加多变和难以控制。一旦第 3 级像差得到了很好的控制，而使得成像的模糊圆变小之后，新的像差又产生了，而且这些新的像差对画面的影响会使你更为沮丧。像差造成的结果通常都是一样的:降低反差，使整个画面变得模糊。像差对成像的影响是致命的，这也是为什么 MTF 会成为现代镜头设计的强大工具之一。MTF 可以告诉你你的镜头设计需要在什么地方加以改进。
　　现在我们应该理解为什么老的镜头设计就是那么费事了。首先是对于高等级像差在理论知识方面就欠缺，要想很好的校正希德尔像差，镜头设计人员不得不面对庞大的计算工作。因此设计者通常是从创造灵感或者先前的著名设计着手，勾勒出大致的光路草图。如果草图前景一片光明，就继续设计。为了在合理的时间和预算内达到结果(早期的资金是很有限的)，设计者只好省略一部分光学计算，当准确计算不可能的时候就利用近似法，并且使用那些已经准确掌握其特性的光学玻璃。
　　当然，希德尔像差是不可能完全校正的，设计者将不得不寻求校正的平衡，或者尽量减少它们的影响。但即使是这种平衡本身的效果也是有限的。以双高斯结构为例，此一设计本身就具有一定量的斜向球面像差(Oblique Spherical Aberration，即彗星像差)，但另一方面，这种结构校正像散的效果却很优异。斜向球面像差在径向上的表现比切线上要严重得多，为了平衡径向的球面像差，我们就需要接受一定量的第3级像散，以使斜向球面像差在径向上和切线上尽量接近，但随之则产生了一定程度的暗角(Vignetting)!是的，这是非常有趣的现象。实际上，许多镜头设计(包括新的和旧式的)都把暗角来作为一种「工具」。业余的镜头测试报告经常批判某些镜头的暗角，殊不知一定程度的暗角是可以提高成像质量的!
　　最显着的例子就是Leitz的Noctilux 50mm f/1.2，这款镜头的暗角要比Canon 50mm f/1.2要来得明显，然而在全开光圈时的画面素质，却比Canon要好很多。因此，老一辈的镜头设计天才们(Berek，Bertele)走出了两条路:第一，首先要创造一个本身就很少有像差的基本设计，而且这个设计本身就适合校正。Tessa就是这样的好例子，设计者在同时也必须考虑其它的诸多变量，这是成功设计的第一步。
　　下一步，也是更为重要的一步，就是要使你的设计具有足够的制造宽容度(Sufficient Production Tolerances)。老的设计如Hektor 2.5/50就是因为制造宽容度太小而导致成本太高。
　　一般用家常会试用几种不同的版本，以得到满意的镜头。这也就不难理解严肃的摄影师为何会选用不同的镜头测试，使用直到满意为止了。为了平衡不同的像差而不得不保留一定量的残余像差，而且也不是每位设计人员都能够**乍现地想到最好的解决方案。因此，从三○年代到六○年代，关于Leitz和ZEISS的经典镜头的「味道」(真的味道也好，想象的味道也好)的争论就一直激烈不休。直到今天，光学设计和计算和使用者的期望值也始终没有在同一水平线上。

2万 · 2008-3-13 16:13

　　计算机
　　计算机于五○年代开始引进镜头设计领域(Leitz是最早于镜头设计中使用计算机的厂商之一，该机器的名字为Zuse，德国造)，但计算机对光学设计很少有什么改变。最大的优点是，有了计算机，你可以计算得更快，并且进行更复杂的斜向光线的方程计算。
　　但是，计算机也带来依赖的问题，结果现在的设计人员对各种像差的了解比以往还要不足，导致入射镜头的光路数量急速增加，镜片的数量也变多了(以前设计受到人工计算限制，越多的镜片数量，则意味着越多的计算量和变量)，更多的镜片给设计人员带来了更大的自由度。由于有更多的镜片来设计，设计者就更能控制像差。更多的镜片也意味着更高的生产成本，也更加趋于更严格的制造宽容度。新型的LEICA APO-TELYT-M 135mm f/3.4有5片镜片，具有真正的APO校正能力，但它却不能保证没有绕射极限(diffraction limited)。要降低绕射的问题，加镜片固然是一个方法，但成像素质却更难以保证，并且制造宽容度也更加严苛。
　　借助于现代计算机的强大功力和对光学理论的进一步研究，从以往的五种希德尔像差，到今天已经扩展到60多种像差。设计人员不可能随心所欲地来操纵镜头的诸多变数。更何况几乎所有相机系统的前组镜片直径(滤镜尺寸)、重量、镜头接环直径，光圈的位置等等，都是固定的，限制了设计人员的巧思。
　　这些限制可以影响到对许多像差的校正。现在对新镜头的设计要求也越来越高。新版的Summilux-R 1.4/50要求完成了两个设计目标:
　　1. 收缩光圈后画面素质显着提高;
　　2. 全开光圈时整个像场要达到非常好的素质。
　　这两项要求都是它们的前代版本所未能达到的。
　　现代的计算机各种参数的数量也在增加，可以做到每秒钟20万条光线的追迹计算，以一个6片镜片的镜头设计来说，以计算机要进行多年计算，才能找到全部可能的数据。那么到底要计算多少年?答案是10的99次方(1的后面接上99个0)年!
　　计算机对于今天镜头设计的重要性，在于它是设计的最佳化工具，而不是设计工具
　　计算机对于今天镜头设计的重要性，在于它是设计的最佳化工具，而不是设计工具。还记得像差的方程式吗?我们知道成像时实际形成的是个扩散的区域，我们可以确定每条偏移的光线并计算出成像的模糊圆。理想状况下，模糊圆应该是非常小的，所有的光线和颜色都应当和结实地聚集在一起，我们可以让计算机来完成这项工作(如计算曲率，镜片所需的厚度以及镜片之间的距离)，从而得出尽可能小的模糊圆范围，而且用计算机来进行这项工作也相对省时省力。然后由设计者来进行最佳化选择。这是计算机最重要的运用。大多数光学设计程序其实更应该被称为最佳化程序，由设计者来决定哪些应当最佳化并且最佳化到何种程度。所得到的结果被称之为优化函数(Merit Function)。

　　优化选择可以有成千上万种，我们可以用图将它们在三维空间表示。想象一下你坐在直升飞机上观赏某地的地形，你将会看到平地，山脉和峡谷。
　　如果你对该地区地形不熟悉(你事先不可能知道优化点，否则的话你可以直接得到优化点，而不需要计算机帮你寻找了)，即使你已经找到最优化点，你也完全不能确定自己是否找到「真正」的点。
　　众所周知，现在许多来自不同厂家的镜头的表现都很好并且极为接近，这要归功于各家厂商都是利用计算机来寻找优化点的原因。所有计算机程序都在寻找同样的点，而且最后总会找到一个。
　　因此，这会导致一种带有粗鲁倾向的策略:如果你所需的最佳值没有找到，你可以增加镜片数量来得到漂亮的MTF图。一家相机大厂不可能永无止境地寻找最优化点，因为那将需要上千万年的计算时间。于是当预算用完的时候，你不得沿用原来的设计。如果一个光学设计是非常好的，那么最终得到的MTF图当然非常漂亮。但反之不然:一张漂亮的MTF图绝不等同于一个好的设计。
　　因此，LEICA的设计策略是:你需要先研究光学设计的基础，才能掌握设计的特点。一旦你了解一个设计具有潜力，你就可以明智的使用计算机到特定区域去寻找优化点，并且在你找到你所需要的理想值的时候适时收网。

　　LEICA镜头的演变
　　知道了这些镜头设计大致的背景知识，我们可以了解到现代LEICA镜头的素质大幅提升的原因。从最早期的徕卡镜头一直到六○年代初期，第一代的Leitz镜头，实际上是在高等级像差尚未克服，以及玻璃参数缺乏的环境下，利用人工进行计算的。计算机运算使得残余像差得到更趋于完美的校正，但本质上成像素质(对于斜向光路来说)还是比于中央的像质要差(平行光路)。由于光学设计和机械部分(镜片研磨和镜筒)的加工是各自独立的，这也使得光学设计受到制造宽容度的影响很大。
　　第二代(Vollrath/Mandler时代)的特点是开始使用优化设计原则。制造宽容度的重要性开始得到了重视。优化设计被广泛的用来理性化生产和降低成本。七○年代和八○年代是Leitz为生存而奋斗的时期。此时R系统继续扩展设计，但设计成本却降到最低。尽管如此，LEICA仍然有一部分最著名的镜头是在这个艰苦时期设计的。Noctilux 1.0/50和Summilux 1.4/75直到现在，仍然是伟大的设计，它们可以说是人工设计运算时代的最后产物。
　　优化也带来了选择。现在对于设计过程有了更深刻的了解，产品的生产可以更加协调地达到所需的生产宽容度。以APO-Elmarit-R 2.8/100为例，如果只看单色光像差，它可能还不如早期的4/100。但以白色光来看，2.8/100的光学素质已向前迈出了一大步。
　　现在我们又有了另外一个问题。
　　每一种波长都有其自己的所达到最佳反差的焦平面。但是只有一个真正存在的焦平面，那就是底片平面。因此，设计者必须以他对光学设计的知识KNOW-HOW，来找到折衷的办法以获取最佳的成像。
　　自八○年代末迄今的第三代(Kolsch时期)设计的特点是在镜头设计的两大制约因素:机械精度和可接受的成本之中寻求更加优异的光学设计。在Kolsch领导之下的设计团队，是由一小群不多但有极强事业心的**成员组成，对于他(她)们来说，光学设计和生产机械加工的原则是完美结合成一个整体的。例如，非球面镜片要求比以前更严格的生产加工和装配精度。非球面镜片是唯一被要求要送到Solms进行检验的。
　　现代LEICA镜头的设计是用来发挥底片粒子极限的。如果说有什么设计指导原则的话，那就是:对低频空间频率的极高的反差表现(勾勒物体的轮廓的能力)和对高频空间频率的高反差表现(记录尽可能细微的细节的能力)。这种表现本身就是极难做到的，而且还必须有全开光圈时候对于像场的大部份区域要有上述的表现!
　　要特别注意的是，ZEISS和LEICA对于光学设计的不同态度是:ZEISS同样重视对低频空间频率的极高反差表现，但对高频空间频率的高反差表现则否。ZEISS用来校正误差的作法，对LEICA而言是不能接受的。所谓的LEICA的标准，意味着必须更严格地校正球面像差和色散，所有设计人员对于镜头设计的基础——让我们姑且称之为光学特性——也要有深入的了解。有时候要花上超过一年的时间，才能彻底了解一张草图设计能不能量产。
　　没有对此的理解，设计人员永远也不可能找到设计的优化点。一个可以记录高频空间频率很好反差的设计要求很严格的宽容度。极微细节的反差的再现对于对焦和加工校正的误差是极为敏感的。LEICA镜头从一开始，就由有光学工程师和机械工程师共同组成的设计小组来完成。负责产品生产的工程师具有最后的发言权:如果设计要求的制造宽容度是不合实际的，那么光学设计人员就得从头再来。在这篇**的一开始，我提到了经过光学系统的全部光子能量。LEICA的设计人员是非常小心戒慎地，将光子流从镜片的彼端传输到另一片镜片上。使用折射系数变化太大的玻璃材质，或者曲率变化过大的镜片，都会引起光路的剧变，这些都是要避免的。在这里，你可以感受到一种有如禅学(Zen)般的态度。这些新设计原则所制造出来的镜头具有令人震撼的表现:将底片感光粒子所能记录的极微细节，以清澈透明的方式呈现在你的眼前。即使是全开光圈，从画面的边角地带到中心都能维持相近的水平。

　　LEICA的现代新镜头还有改善的空间吗?
　　有的!LEICA不断地在研究以较低的成本制造质量更高的镜头。那么，LEICA的新镜头是否已到达完美的境界了呢?非也!我们都很清楚镜头在制造过程，以及品管方面的问题。我深信在徕卡总公司的设计人员会努力克服这些麻烦，事实上，当局也承认这是一项亟需改进的问题。早年的LEITZ可是铁齿的很，从来不愿承认错误的。就像奥运纪录不断向上提高一样，LEICA镜头也不断地在创造新纪录。各位愿意一同见证吗?只有用家的认同，LEICA的光学成就才有意义。