光学喵-光学课堂 首页 资讯 查看内容

LEICA情怀:光学设计篇

2021-12-21 16:25| 发布者:Davis| 查看:1530| 评论:0|原作者: PENTAX和LEICA笔记

摘要:本文介绍了LEICA徕卡镜头光学设计的历史和特点,包括徕卡镜头不同时期的设计特点、徕卡光学设计的平衡点和影响照片质量的因素。如果您对摄影和LEICA感兴趣,这篇文章值得一读。

       Leica的情怀有许多种,有迷恋Leica精美的做工,有钦佩Leica神经质般严谨的极致追求的,也有对Leica光学设计的精妙的赞叹。今天我们专门聊聊Leica的极致光学设计,聊聊为什么Leica能够屹立不倒,也聊聊徕卡和蔡司的区别。

       原本计划一篇文章写到底,在友人中野(@Bryan)的提议下,将内容分为两个部分,第一个部分聊聊徕卡镜头光学设计的历史,第二部分详细聊下徕卡光学设计的神经质追求。如果对徕卡光学设计的历史并不感兴趣的童鞋,请跳过第一部分,直接进入第二部分,然后在跳过第二部分,因为这部分可能你更不会感兴趣。


一、Leica的光学设计简史

       20世纪初,德国中西部的一座名叫Wetzlar(威兹勒)的小镇静静地矗立在山清水秀之间,那里古朴幽静,老式风格的屋顶参差密布在碧绿的山丘之间,整洁狭窄的街道两旁是木制结构的楼房。这小镇上的人口不过两三万,却名震四方。这里就是德国的精密光学仪器的重要基地,也是德国面对全世界最为自豪的理由之一。这里更是当年作为盟军的美国轰炸机轰炸德国时,唯一被美国军方指定保留的地方。因为这里云集了全世界最优秀的光学和精密仪器巨头“徕兹”和“蔡司”。


(徕卡拍摄的Wetzlar小镇)

        魔王斗胆将徕卡镜头设计的历史分为三个阶段,Max Berek的时代(30年代-50年代),Walter Mandler时代(60年代-80年代)和Lothar Koelsch时代(80年代后)


Max Berek时代

        说到20世纪初的徕卡,那就不得不说到奥斯卡·巴纳克。然而,身为机身设计大师的巴纳克并不是今天故事的主角,巴纳克的粉丝们可以洗洗睡了。20世纪初的徕卡镜头,是Max Berek(麦克斯·别雷克)的时代。


Max Berek

        自从Berek时代以来,一支镜头的特色描述,大多是反差、分辨率、相差、色差、光圈、弥散圈、色彩还原率、重量、尺寸、制造公差以及制造成本(就不列举太多了,有装逼嫌疑)。这些因素互有影响,光学设计人员必须在其中求得平衡点。

        在上世纪30年代,Berek的目标是给徕卡用户提供可以发挥「新底片」(35mm)规格潜力的镜头组合。Berek在设计上遭遇到不少困境,比如因机械精密度所导致的生产力不足、镜头玻璃原料配方太少、当时缺乏降低耀光的镀膜技术、对于大光圈镜头的特殊需求(因为底片速度过低),最严重的,当时对于光迹追踪的理论与知识尚未累积成熟,光学计算能力的非常有限限制。
  

        Berek很清楚这些限制,他深谙徕卡用户对影像品质的要求,他也知道当时底片感光乳剂的限制,这些都是我们现在不可能身临其境的环境。各位可以想象一下,用一台前所未有的口袋型小型金属相机、装上一支可伸缩的50mm f/2.5的镜头,对焦时要小心翼翼以确保景深,底片感光度偏偏又特别低的状况下,需要将底片放大三到四倍而还要保证品质不错的照片,实在不是很容易的。从后来135光学系统的发展来看,事实证明Berek做到了,太不科学了。


                       (Berek设计的summitar50 2和summarex85 1.5)
  Berek于1930年撰写了一本《实用光学基本原理》(Grundlagen der PraktischenOptik),Berek在著作中指出,希德尔像差(Siedel Aberrations)是所有像差中最显著的,因此务必要全力修正(冯·希德尔研究单色光像差并且定义出下列几种像差:球面像差、彗星像差、像散、变形、像场弯曲等等)。然而,无论你如何校正希德尔像差,接着又会出现更高等级的像差而使影像品质劣化。当画角越大或者光圈越大,这些高等级像差造成的画质劣化就越严重。Berek提出一个当时非常重要的观点:在光学设计中保留少许的希德尔像差是可行的。借着“刻意不完全校正”希德尔像差,这种设计在光圈大小与成像品质之间取得了一个相当良好的平衡点,影像品质令人感到赏心悦目。此外,Berek还在书中提到,光圈叶片的位置设计、以及暗角的运用,是对付镜头残余像差最有力的工具


  在Berek时代,光学设计者的光学计算力是有限的,因此Berek采取了双线策略:在设计镜头的过程中,他运用了创意、光学理论以及丰富的经验,藉此他只要以最少量的光迹追踪点,就能够找出设计的缺点并加以精密计算,计算结果也能提供凭据,精益求精。
  Berek深知他的设计中可用的玻璃配方寥寥可数,当时也没有高折射系数的玻璃原料。假如我们现在来看一下他所设计的镜头系列(大部分都在1925年到1948年之间设计),我们可以发现,不论是焦距,或是光圈大小的选择总是略嫌保守。一旦要设计大光圈镜头时,Berek会放弃“展示光学威力”的想法,转而设计出一款在全画面都具有愉悦阶调、表现柔顺的镜头。
  Berek的设计在当年相当受到欢迎,但是今天他并没有获得适当的评价。在光学历史书中,最出风头的不是他,而是像Willy Merte、Ludwig Jakob Bertele、Albrecht W. Tronnier、H.W. Lee等等这些非一般的老头。


Walter Mandler时代  

       从1960年到1980年,是光学怪杰Walter Mandler的舞台(之前的推送中有提到Walter Mandler)。

Walter Mandler(中)

  从1960年后,高折射系数的玻璃原料开始出现了。以往玻璃目录可见的传统玻璃材料,大多是由蔡司的阿贝(Ernst Abbe)所研发出来的。这些老玻璃的折射系数较低,因此必须要研磨成曲率很大的球面,才能达到设计人员的要求(特别是大光圈设计的镜头更是如此)。但是,这种大曲率的镜片研磨对当时的工业技术来说是很难克服的技术,因此,业界便开始进行稀土元素玻璃的研发。
  很多人都不知道,镧系稀土元素玻璃的开发,最早是由柯达公司在1930年代开始的。然而,当年许多稀土元素原料都具有放射性,而无法使用在镜头上。后来,科学家将无辐射的稀土原料配方与玻璃融合,高折射玻璃终于由LEITZ光学实验室成功地制造出来了!这就是光学界非常有名的LaK9玻璃。
  高折射玻璃具有折射系数高以及低分散的特性,在早期光学像差知识还不是很成熟的时候,高折射玻璃是非常迫切需要的(后来的设计证明,利用传统玻璃与成熟的光学知识,仍然能设计出一款好镜头)。


  在此一时期,计算机也开始成为设计人员的辅助工具,负责繁杂的运算作业。现在,光学设计人员终于可以大量运算“精确”的光迹追踪,而不需要像以前那样要靠许多凭空想象的猜测。在此时,镜头设计的考量之中,玻璃材料的选择与搭配成为一门新的学问。
  然而,这段时间中最秘密的光学革命,不是高折射玻璃,而是优化法的诞生。设计人员可以藉由量化的数值与变量,来体现他对于一支镜头的影像品质的要求,并且运用计算机运算得到理想的结果。我们在 Mandler的著作《论双高斯镜头设计的基础》(On the Design of BasicDouble-Gauss Lenses)一书中,可以看到他对于优化法的陈述。


  到了这个时代,镜头设计不再是“创造”一种设计,而是针对此一设计的最佳化。这些传统的光学设计(诸如triplet、double-gauss、retrofocus、symmetrical wide angle等等)已经由前一代设计者创造出来,新一代设计人员的任务是利用计算机的运算能力,将这些光学基础进一步发扬光大。不过,维持各种光学像差的均衡,仍是光学设计的重要基础。
  计算机辅助工具的运用,镜头设计者可以控制残余像差的多少,来换取他所要的影像品质。举例来说:我们可以接受在画面中特定区域残留一些球面像差,以便抵销像场弯曲;或者改变焦平面最佳位置,以便降低光圈缩小后所带来的焦点偏移问题。Mandler的设计目标,就是引入优化法的观念,在短时间内尽可能设计出最好的镜头群。

        此一时期,镜头的光学表现有了显著的改变:整体对比提升,在光圈全开时更高的反差表现是极为重要的,影像的特质也因此有了巨大的改变。但是,Mandler的设计灵感,仍是为了符合使用者需求以及光学像差修正的折衷成果。


        1960年到1980年的徕兹(LEITZ)镜头的制造精致度,常被誉为有史以来最扎实、最细腻的。仔细研究这些精密的金属加工,我们可以发现:这些精密的工艺技术可以用来抵消一部份的制造公差。在此一时期,其它厂商的镜头光学品质,往往受到制造机械公差,以及玻璃材质选用影响而有显著的差异。“现阶段最高工艺”是Mandler设计镜头的关键中心。即使在今日,Mandler的设计都能跻身最高水平之列。LEITZ时期的镜头设计有其特殊的平衡之道,在影像品质上可说鹤立鸡群。
        Mandler时代设计了许多顶级镜头,几乎徕卡绝大部分的知名镜头都是出自Mandler之手。这些重要的设计与35mm摄影风格的时代精神紧密地契合。


Lothar Koelsch时代

        Koelsch最大的贡献,便是打破了传统LEITZ设计的模式,采用最高等级的铸模式以及研磨式非球面技术。最重要的,是进一步将制造公差缩小到LEITZ时代无法做到的境界!

  Lothar Koelsch

  我们可以从APO-SUMMICRON-M 90mm F/2.0 ASPH的设计中了解到LEICA光学的进步。这款双A镜头在全开光圈的素质超越SUMMAREX 85mm F/1.5缩光圈到F/11的表现;同时和旧款SUMMICRON-M90mm f/2.0光圈缩到F/4时的光学品质一样优异。
     现代的LEICA镜头设计者致力于校正所有的光学像差,他们有纯熟的光学知识和工具(玻璃、机械结构、精密度),无须接受妥协。当然,完美的镜头仍然是不存在的。但是现代的LEICA设计在各种像差中间的平衡之道却提升到更高的层次,精密度也比以往更高。
  如果说Berek的设计让Leica用户得以在前人不敢按下快门的微弱光线下创作;如果说Mandler的设计重新定义了新闻摄影者的角色,让他们得以纪录人类生活的繁琐细节;那么,我们应该用什么样的观点来看待当代Leica的光学设计呢?
  早期的Leica用户惊叹于徕卡带来的可能性;后继者则以坦率、正直的新闻观点纪录人们的生活环境,而现代LEICA镜头所能传输的高信息量便是影像表现的工具。

Lothar Koelsch的设计


二、Leica的镜头设计

        听我BB了这么多故事,知道了这些镜头设计大致的背景知识(其实并没有什么卵用),我们可以了解到现代LEICA镜头的素质大幅提升的原因(不明白的可以背诵第一部分并默写全文)。从最早期的徕卡镜头一直到60年代初期,Berek时代的第一代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,利用人肉进行计算的。计算机运算使得残余像差得到更趋于完美的校正,但本质上边缘成像素质还是比中央的素质要差。由于光学设计和机械部分的加工是各自独立的,镜片研磨和镜筒制造是分开的,这也使制造公差对光学设计产生很大的影响。       

       到了Mandler时代,开始使用优化设计原则,制造公差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。70年代和80年代是Leitz为在SLR的挤压下生存而奋斗的时期,这个时期R系统继续扩展设计,但设计成本却被要求降到最低。尽管如此,LEICA却有非常多极其著名的镜头都是在这个艰苦时期设计的。Noctilux50 1.0和Summilux75 1.4直到现在,仍然是非常伟大的设计,它们可以说是人工设计运算时代的最后产物。

  同时优化也带来了选择,由于对设计过程的了解有了更深刻的认识,镜头的生产可以更加协调地达到所需的制造公差。以AME(R100 2.8APO-MARCO-ELMARIT)为例,如果只看单色光像差,它可能还不如早期的R100 4。但以白色光来看,AME的光学素质已向前迈出了一大步。

leica AME

(R100 2.8APO-MARCO-ELMARIT的MTF,在R180 2.8APO出现之前135系统的标杆镜头)

  但是还是会存在另外一个问题:每一种波长都有其自己的所达到最佳反差的焦平面,然而只有一个真正存在的焦平面。因此,设计者必须以他对光学设计的知识全部秘诀,来找到折衷的办法以获取最佳的成像。

  迄今为止的Kolsch时代设计的特点是在镜头设计的两大制约因素:机械精度和成本之内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男女成员组成,对于他们来说,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)。

(solms和wetzlar)

       今天,设计一款镜头,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不胜枚举种。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。

        但是计算机能自动生产出经典名镜?你在逗我吗!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,也是没什么卵用。

  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等等,但是他们的设计成果却大相径庭。任何镜头,不论是新款或旧款镜头,都是由所谓的“镜头特性”来区别的,比如用:镜片数量、玻璃种类、曲率、镜片厚度、镜片群间距这些数据,来描述一款镜头。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。


(1943年Wetzlar小镇的徕卡总部)

  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的话,魔王只能告诉你醒醒吧!那是老法师的神话!事实上,在现实光学设计中,通常是由一位设计主管(比如Walter Mandler)负责指导一群大部份为女性的工作者,对的,就是很多妹纸!她们负责大量十分重要的计算工作。设计主管负责指导和把握整个设计,灌输设计思路,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。

        光线由主体发出,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折射率来决定,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,他就能非常精确地计算出这一道光线折射的路径,从而追踪光路。我们也知道,点光源向四面八方辐射出光线,而只有部分光线会穿过镜片。经过方程式模拟计算,假设:所有进入镜头的光线都可被视为许多单一的光线,这束光线经过镜组的光路也都能被计算追踪出来。

  光学设计师由光轴中心的某一“点”开始追踪多条光路。这里所指的“点”,指的不仅是主体上的某一点位置,其实也是在感光元件上成像的那一个点。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。这一点越靠近光轴中心,高斯成像的预算结果就越准确。

  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。

  在计算机辅助设计出现之前,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。在上世纪30年代,光学设计师靠着对数表,一天只能完成50道表达式,因为在计算时很容易发生错误,所以每一道表达式都必须检查两遍。如果1被当成7,就会导出很严重的错误。所以当时的光学表达式都讲求誊写时要非常清晰,不能草草了事。Erwin Puts曾经翻阅过当年徕兹公司所保存下来的光学设计原稿,以及大量的计算图表,全部誊写得非常工整,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。一只六枚镜片组成的设计,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,可见早年在徕兹公司的光学设计工作是难以想象的艰辛。

  在大多数场合中,大角度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大角度进入镜头的光线。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。入射角度大的光线可以分为垂直的和水平的两个平面。经过垂直面的称为切线光线,经过水平面的称为径向光线。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——镜头设计种最核心的元素

  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,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,这两者之差就是光线路径差,作为控制像差的依据。典型的像差有:球面像差(球差)、彗星像差(彗差)和像散。说来也很狗血,虽然我们不是很清楚30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。

        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,而实际使用非常有限。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。设计师们也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,就必须能够知道某种像差对于成像会造成什么影响。比如球差会影响像场中央部分的成像,像场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:发自物体某一个点的光线的投射无法完全聚集在其对应的成像点上,而是形成一个模糊圆,模糊圆之内光线的分布也不均匀,毫无规律可言;这个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。


(点不再是点:模糊圆在传感器画面中央与边角部分的比较)

  像差种类是在太多了,可以简单归为三大类:第3级像差,第5级像差,第7级像差,“3”、“5”、“7”分别代表上面各种像差在方程式中的指数。我们比较熟悉的是第3级像差,就是前面聊Berek说过的希德尔(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,所以以他的名字命名。“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,不明白的人会以为还有第1级像差更重要,哈哈。

       即便是在计算机辅助设计的现代,要想把所有像差控制在满意的程度,也是相当非常以及特别的困难的:比如,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,第5级像差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抓狂(魔王在写这段的时候已经被各种像差搞抓狂了,此消彼长,就像街机里的打鼹鼠一样)。像差造成的结果通常都是一样的:反差降低,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,都是小作坊形式的光学厂),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。这就是之前魔王所说的,Berek提出的非常重要的观点:在光学设计中保留少许的希德尔像差是可行的。借着“刻意不完全校正”希德尔像差,这种设计在光圈大小与成像品质之间取得了一个相当良好的平衡点,影像品质令人感到赏心悦目。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,这个设计本身就具有一定量的彗差(不如随魔王任性的叫它斜向球面像差,这样好和后面的径向的球面像差对比区分)。另一方面,双高斯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,我们就需要妥协的接受一定量的第3级像散,让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(看不懂的,魔王直接给你个结论:双高斯设计校正像散很优异,但为了消除彗差,妥协的产生了暗角)!是的,这是非常有趣的现象。实际上,许多镜头设计都把暗角来作为一种“特色”。业余的镜头测试报告经常批判某些镜头的暗角(比如某ET),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Noctilux 50mm F1.2,在之前夜神的推送文章也提到过这个问题,这款镜头的暗角要比Canon 50mm F1.2要更明显,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,就是要让设计具有足够的制造公差。老的设计比如Hektor 50 F2.5就是因为制造公差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师都能够灵光乍现地想到最好的解决方案。因此,从上世纪30年代到60年代,关于Leitz和Zeiss的经典镜头的“味道”(真的味道也好,老法师的玄学也好)的争撕逼就一直没听过。直到今天,光学设计与计算和使用者的期望值也始终没有在同一水平线上(其实说白了,是使用者总是把拍不好的责任推向器材,个人技术原因,感觉器材好委屈)


计算机辅助设计的意义

  上世纪50代开始引进计算机辅助镜头设计领域(Leitz是最早于镜头设计中使用计算机的厂商之一,是德国制造的一台Zuse的机器),然而计算机对光学设计的改变并没有起到什么卵作用。计算机辅助设计引进的最大的优点是可以计算得更快,并且进行更复杂的大角度入射光线的方程计算。

  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,导致射入镜头的光路数量大量增加,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,这完全是给自己找麻烦)。计算机辅助设计的引进,让使用更多镜片成为可能,更多的镜片也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公差。M135mm F3.4 APO有5片镜片,具有真正的APO校正能力,但它却不能保证没有衍射极限。要降低衍射的问题,加镜片固然是一个方法,但成像素质却更难以保证,并且制造公差也更加严苛。

  借助于计算机的强大计算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,诸如前组镜片直径(滤镜尺寸)、重量、镜头接环直径,光圈的位置等等,都是固定的,大大束缚了设计人员的脚步,这些限制可以直接影响到像差的校正。所以,计算机辅助设计的出现,对新镜头的设计要求也越来越高,很典型的就是Summilux50 1.4 E60,Leica要求完成两个设计目标:一个是收缩光圈后画面素质显着提高;另一个是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。

  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。光学设计已经在60年代定型了,之后的日子,都是在找平衡点。以之前的像差为例子,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很结实地汇集在一起,我们可以让计算机来完成这项工作(比如计算曲率,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。


(电脑显示双高斯结构镜头在某一点时表现的图形)

       现在各厂家的镜头的表现都很好并且极为接近,各种天花板线满天飞,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。

  但是,这会导致非常粗暴的倾向性设计结果: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(某马厂现在常干的事儿)。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,所以通过MTF去粗暴评判镜头设计的优劣简直是扯淡。

(现在的solms徕卡总部)

       现代LEICA镜头的设计是用来发挥传感器极限的,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(形象点讲就是刻画物体的轮廓的能力,就是所谓大反差)和对高频空间频率的高反差表现(形象点说就是尽可能细微的记录细节的能力,也就是所谓微反差)。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!这也就是徕卡光学丧心病狂追求的表现。

  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并不那么重视。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,也就是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。这也就是为什么,魔王一直对蔡司并不感冒的原因,当然,主要还是穷!

  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公差范围。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公差是不合实际的,那么光学设计人员就得从头再来。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,你可以感受到一种神经质般的极致态度。这些新设计原则所制造出来的镜头具有令人震撼的表现:将传感器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。


(光迹追踪图:可作为镜头设计人员的分析工具)

  因此,LEICA的设计策略是:先研究光学设计的基础,才能掌握设计的特点。一旦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。


  

       因为小魔王出世,所以近期更新速度较慢,还请各位看官不要着急,你们就算着急也没什么用,俺要照顾孩子啊!这篇文章4月20日就成型,直到今天才有时间完善,各位见谅。


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

最新评论

联系客服 关注微信 访问手机版 返回顶部