一、光学镜头的设计原理
为了获得一个较理想的光学镜头,光学设计人员首先要清晰明确地了解使用要求、使用效果和设计结果。在设计要求方面,设计人员对镜头所要求的焦距、孔径、视场、最近成像距离等光学特性参数和分辨率、畸变、光学传递函数等成像质量特性参数都应熟悉。光学镜头设计者首先要从光轴上的某点开始追踪少量的光线,这里所假设的是每个物象点都会在胶片平面上形成与之相对应的点,所以发自物体的光线都将被转化为这样的成像点,并且具有同样的相对位置。光线是由不同波长的、有颜色光波组成的,而且当光线进入镜头时不同波长的光波具有其独特的光学路径,而且理想的光线不可避免地会被镜片所干扰而产生象差。镜头设计的第一要素就是对这些象差进行了解和控制。通过三角几何函数可以计算出校正的光线路径和现实的偏移量,这两者之差被称为光线路径差,使用来控制象差的依据。典型的象差有球面象差,晕光和失光。
在上世纪三十年代,尽管人们对象差进行了量化,但象差始终是镜头设计的困扰因素。对于设计者来说,如果想对象差进行校正,就必须知道特定象差对于成像会造成什么影响。球面象差会影响象场中央部分的成像,象面弯曲的程度说明了角部的校正情况。
更多的镜片给设计者带来了更大的自由度,由于有更多的镜片进行表面处理设计,设计者就可以在更大程度上控制象差。但是更多的镜片也意味着更高的造价,也更加趋于更小的生产宽容度。现在对新镜头的设计要求也越来越高。新的SummiluxR1.4/50要求到达2个设计目标:收缩光圈后像质的显著提高和全开光圈时整个画面要达到非常好的像质,这两项要求都是它们的前代们所未能达到的。目前光学设计部门大量使用了计算机,计算机及其计算机程序本身是无法找到全部答案的,也就是说设计者是不可能随心所欲地来操纵镜头的诸多变量的。但是借助于现代计算机的强大能力和对光学理论的进一步研究,光学设计人员对5级赛德尔(Seidel)象差的了解已经扩展到包含有60多种各种各样的象差。现代计算机可以做到每秒钟追踪计算200?郯000条光线,各种参数的数量也在增加,对于一个6片镜片的设计,计算机需要进行许多年的计算才能找到全部可能的结果,而所需的时间是天文数字――以1开头,后面有99个0。
自上世纪八十年代末至今的第三代光学镜头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。现代Leica镜头的设计是用来挑战胶片颗粒的极限的。如果说有什么设计知道原则的话,那这个原则就是:对低频空间频率的极高的反差表现和对高频空间频率的高反差表现。这样的表现本身就不是容易达到的,而且有全开光圈时候对于象场的大部分区域要有如此的表现。
任何光学镜头,不论是新的还是旧的,都可以用“镜头描述”这个术语来区分镜片的数量,玻璃的种类,镜片的曲面半径,镜片的厚度,镜片与镜片之间的距离,以及每个镜片的直径,等等。当发自于某个物体的光线穿过玻璃表面时,该束光线会被折射,就如我们在中学物理课本中学到的物理知识所描述的那样:光线折射量取决于玻璃的折射率。如果镜头设计者能知道光线射入镜头前镜片时的确切入射位置,以及入射角度,他就可以通过光线理论系统精确地追踪光路。角度和距离可以通过三角函数的正弦和余弦算出来。因此通过简单的平面几何,光线途经的线路就可以被追踪到。