任何光學鏡頭,不論是新的還是舊的,都可以用“鏡頭描述”這個術語來區分鏡片的數量,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。當發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: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精確地追蹤光路。角度和距離可以通過三角函數的正弦和余弦算出來。因此通過簡單的平面幾何,光線途經的線路就可以被追蹤到。

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一、光學鏡頭的設計原理

為了獲得一個較理想的光學鏡頭,光學設計人員首先要清晰明確地了解使用要求、使用效果和設計結果。在設計要求方面,設計人員對鏡頭所要求的焦距、孔徑、視場、最近成像距離等光學特性參數和分辨率、畸變、光學傳遞函數等成像質量特性參數都應熟悉。光學鏡頭設計者首先要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與之相對應的點,所以發自物體的光線都將被轉化為這樣的成像點,并且具有同樣的相對位置。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,而且理想的光線不可避免地會被鏡片所干擾而產生象差。鏡頭設計的第一要素就是對這些象差進行了解和控制。通過三角幾何函數可以計算出校正的光線路徑和現實的偏移量,這兩者之差被稱為光線路徑差,使用來控制象差的依據。典型的象差有球面象差,暈光和失光。

在上世紀三十年代,盡管人們對象差進行了量化,但象差始終是鏡頭設計的困擾因素。對于設計者來說,如果想對象差進行校正,就必須知道特定象差對于成像會造成什么影響。球面象差會影響象場中央部分的成像,象面彎曲的程度說明了角部的校正情況。

更多的鏡片給設計者帶來了更大的自由度,由于有更多的鏡片進行表面處理設計,設計者就可以在更大程度上控制象差。但是更多的鏡片也意味著更高的造價,也更加趨于更小的生產寬容度。現在對新鏡頭的設計要求也越來越高。新的SummiluxR1.4/50要求到達2個設計目標:收縮光圈后像質的顯著提高和全開光圈時整個畫面要達到非常好的像質,這兩項要求都是它們的前代們所未能達到的。目前光學設計部門大量使用了計算機,計算機及其計算機程序本身是無法找到全部答案的,也就是說設計者是不可能隨心所欲地來操縱鏡頭的諸多變量的。但是借助于現代計算機的強大能力和對光學理論的進一步研究,光學設計人員對5級賽德爾(Seidel)象差的了解已經擴展到包含有60多種各種各樣的象差。現代計算機可以做到每秒鐘追蹤計算200?郯000條光線,各種參數的數量也在增加,對于一個6片鏡片的設計,計算機需要進行許多年的計算才能找到全部可能的結果,而所需的時間是天文數字――以1開頭,后面有99個0。

自上世紀八十年代末至今的第三代光學鏡頭設計的特點是在鏡頭設計的兩大制約因素――機械精度和可接受的成本――之中尋求更加優異的光學設計。現代Leica鏡頭的設計是用來挑戰膠片顆粒的極限的。如果說有什么設計知道原則的話,那這個原則就是:對低頻空間頻率的極高的反差表現和對高頻空間頻率的高反差表現。這樣的表現本身就不是容易達到的,而且有全開光圈時候對于象場的大部分區域要有如此的表現。

二、光學鏡頭的設計和使用必須緊密結合

評價光學鏡頭的好壞直接涉及使用、設計和制造三個方面,它們之間的關系極為密切。光學鏡頭的設計人員必須深入實踐,克服與使用者的溝通障礙,能夠站在他們的角度考慮設計思路。這一個過程,實際上就是將使用者的“設計要求”正確變成“設計指標”進而變成“設計結果”的過程。當設計人員完整地清楚了使用者的設計要求后,才能確定可行的設計方法,并按照象差設計規律確定各種象差的平衡方案,進而進行優化設計,最終達到符合使用要求的設計結果。然而,如何評價優化設計的結果達到了設計要求呢?實際上這里提出了“設計結果”如何體現“設計要求”的問題。光學設計階段的成像質量評價原則,是基于長期光學設計和加工實踐反復摸索、總結規律而產生的理論。但是,根據這些評價原則對鏡頭進行評價,并不能代替未來產品的實際成像質量,最終的成像質量評價有待于產品生產制造出來后對產品通過各種儀器進行測試和實際使用效果進行檢驗。一般而言,根據使用要求所進行的設計,總是預示著加工成產品之后的使用效果,兩者之間是有機聯系著的,有相對的一致性,存在著“變成”和“體現”的關系。在實際設計當中“最好的”、“成像質量最優化的”未必就是實際工程實現“最合適”的系統。從工程設計的角度看,一個成功的設計系統往往并不是選用最高精尖的技術手段和材質完成系統設計,而是以能夠完成設計要求、成本最低為指導原則的。設計結果體現使用要求的成像質量評價問題極為重要,它需要設計人員不斷摸索實踐,涉獵相關邊緣學科,培養系統工程思維。

總而言之,光學鏡頭是由一系列透鏡單元組合而成的,其設計是極具創造力的工作,設計人員必須基于經驗和敏銳的洞察力來了解各種各樣光學象差的特性。據了解,現代光學鏡頭的設計是可以用來挑戰膠片顆粒的極限的。透鏡從理論上講可以有效地集中光線,可以制成完美無缺的光學鏡片,但理想化的完美鏡片實際上至今尚未被設計成功,因為在實際生產時,限于材料和條件因素,制造出來的光學鏡片并不能達到完全理想的狀態,多少會存在偏差現象。