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光學工程
鏡頭設計的標準和考慮因素
      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為你的設計草圖進行優化,達到你實際想要達到的目標。
      但問題是,計算機能夠生成一個優秀的鏡頭設計嗎?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。商業鏡頭設計系統當然可以為你優化鏡頭設計,但如果設計的出發點本身是不足的,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。
      鏡頭設計是極具創造力的工作,它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。
首先讓我們來看一些鏡頭設計的基本原理
      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。這些都是用來全面描述一個鏡頭的參數。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。我們知道任何一個點光源發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。
      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(至少對有經驗的設計者來說),但要求對于這些數字的計算精確到小數點后5~8位。
      在機械和電子計算機到來之前,計算這些數值的唯一方法是借助于對數表。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。我曾經有機會看到Leitz早期在Solms的設計成果,那些長串的數字,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)。
      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
     在現實設計中,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原設計還是對設計進行調整。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。
     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區域的成象很重要,但對于遠離象場中央區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。經過垂直面的稱為切線光線,經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。即使對于現代的電子計算機來說也不是一件容易的事。
      因此在現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。

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