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火星之旅

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莱卡M系镜头的灵魂(翻译)  

2017-07-04 13:44:45|  分类: 玩莱卡(Leica M) |  标签: |举报 |字号 订阅

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2004年6月发表与摄影无忌 《莱卡M 镜头的灵魂》

閑來無事, 亂讀文章. 
在萊卡的官方網站資料裏,偶爾看到"The soul of Leica M lenses", 頓時覺得有趣.更重要是覺得, 這是極好的放毒材料. 於是信手翻譯過來, 與同好共用. 
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自從MAX BEREK教授在1924年爲萊卡設計了第一隻鏡頭(50F/3.5) 以來,萊卡鏡頭的光學品質一直被認真地分析和討論著.一些研究者認爲若要與其他鏡頭比較的話, 萊卡鏡頭就是標準;另外一些人認爲, 即使萊卡鏡頭表現非常好, 它們不過是與其他製造商的産品旗鼓相當. 

據說, 萊卡鏡頭具有一種特殊的影像記錄品質, 這常被比作三維演繹, 或傳達三維印象的圖片.這種特殊的光學天性( OPTICAL FINGERPRINT) 在萊卡用家和收藏者中不斷討論著.甚至, 有時候他們聲稱老的萊卡鏡頭中的某些神奇的品質在後來設計的鏡頭中已經逐步消失. 

事實上光學設計越來越多地被電腦完成,於是設計者的個人的"天性"(FINGERPRINT) 再也不會象曾經那樣明顯體現在鏡頭設計中了. 

從過去到現在,萊卡鏡頭毫無疑問具有特殊的性能和品質.這正是吸引狂熱的愛好者和挑戰者的原因. 以作者之見, 很難說一個攝影師用萊卡鏡頭拍攝總會得到最好的結果.每一隻鏡頭都會有一堆特性參數, 而不可能每一個參數都能得高分. 
在每只萊卡鏡頭後面, 我們都可以強烈地感受到控制和消除幾何失真, 這在任何一個光學系統裏都存在. 當然, 現在光學擦産品製造商都會用高級的電腦設備生産. 事實上,現代的電腦軟體能夠根據給定的規格參數産生新的光學設計, 這幾乎不需要人爲干涉和控制下, 

用這種方法爲特定的目的産生一個理想的解決方案的可能性是十億分之一.這就是爲什麽設計師的創造性是創造一個具有最優化表現光學系統的根本, 甚至是決定性的. 

這似乎奇怪地表明, 作者希望注意到鏡頭設計師作爲一個重要因素在光學設計中的創造性和藝術性的重要. 
現代光學設計的基礎在於數學和物理學理論. 而所有製造商對電腦輔助設計的廣泛應用造成了這樣一個印象: 當今鏡頭是被高度自動化生産出來的. 

萊卡是第一批使用電腦 *** 加快"光線追迹法"的浩繁計算的製造商之一.那大約發生在1955年. 現在被光學設計部門使用的軟體是高度改進的專用演算法. 即使如此, 如果不對直覺的創造性進行量化,現代的高性能光學系統是不可能做出來的. 
爲了理解存在於每一枚萊卡鏡頭中的靈魂, 讓我們簡短回顧一下電腦技術, 設計過程和光學評估技術. 在這短暫的"力量之旅"後. 我們將能夠感受並欣賞到"鏡頭中的的萊卡精神"

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讓我們從基本的開始. 如果我們拿一個簡單的鏡頭, 例如一個好的就燒杯, 在一張紙産生一個太陽的象 ,太陽變成了一個很明亮的圓斑, 而那張紙開始燃燒, 因爲你手上的透鏡把太陽的能量集中在一點了.早期, 單塊透鏡是唯一獲得圖像的辦法.對於視角很窄的場合(例如:望遠鏡) , 人們滿足於這樣的圖像品質.在1839年製作出第一張象片的Louis Jacques曾經要爲他的成像板找相當大視角的的成象鏡頭.一塊透鏡産生的圖像在中間相當銳利, 但是在週邊卻很模糊.在那時候, 光學矯正還不爲人們所知. 最好的解決方案只有靠實驗的方法得到.那時候, 白光散射成不同色彩的現象已經被知道很久了.但是現在這成了問題,記錄板對藍光敏感, 而人眼卻對黃光敏感.這就是爲什麽可以用一塊透鏡在黃光下把圖像投在地面玻璃上; 而藍光形成的象卻不能..可以利用兩片不同類型的鏡片矯正縱向色差, 

彎曲的透鏡表面也産生彎曲的象(正如老式合子像機裏表現的一樣 

但是自從成象幹板變成平面後, 人們發現了一個妥協的辦法.這仍然基於來源於實驗的知識.儘管光學定律已經被揭示很長時間了, 早期的光學工作這和設計師都是置理論於不顧.在17世紀,折射定律, 這個光學計算的基礎就被發現了. 

每一根從物體發生出來的光線,當以某一個角度入射到透鏡時, 都會按照一個數學公式被彎曲.當這條光線通過了許多透鏡後, 它的路徑就被清晰地跟蹤出來,當這物體很遠的時候, 比如天上的星星, 所有來自光源的光線在入射到透鏡時都是平行的, 而後透過透鏡彙聚於一點.至少, 這是我們所期望的. 但是正如Daguerre透鏡所揭示的一樣, 這是不可能的.讓我們考慮兩根光線, 一條入射到透鏡的邊緣, 另一條入射在中心位置.我們能夠使用折射定律和有關玻璃類型的知識來計算這邊些光線在象平面上彙聚的點的位置如果所有的光線彙聚在象平面的一點, 那麽所有的事情都解決了.如果不, 那麽我們就有問題了.第一個使用這個數學方法而不是採用實驗方法去設計鏡頭的人是JosephPetzval. 

他的肖象鏡頭很明顯比那些用實驗拼湊起來的鏡頭好.雖然現在可以大量地追迹光線. 但是仍然不夠瞭解光線爲什麽會以這樣的習慣彎曲, 而不到達象的理想或理論位置.大約在1850年,Ludwig von Seidel 研究了透鏡成象的基本定理.他是第一個建立成象品質理論的人. 象差ABERRATIOON字面上的意思就是迷失正確路徑.他揭示出, 存在七種所謂的成象三階誤差,這是互相獨立的,它們一起造成 圖像的不夠銳利和畸變. 

從原理上講, 下一步仍然很容易. 既然我們知道了, 至少理論上知道了什麽造成圖像不夠銳利.下一步所有我們需要做的就是矯正這些偏差.這就是光學設計師的創造性所在的地方. 

錯誤設計造成的成象誤差, 製造誤差造成的成象誤差, 都會極大的影響最終的結果(在膠片上的象)這七種象差被分爲三組:1-銳度誤差:球差, 慧差,散射;2-位置誤差:場曲和畸變;3-色差:縱向色差和横向色差.

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每一片透鏡頭都具有某些特徵, 諸如:玻璃類型, 表面彎曲度(兩個表面的半徑 .這些特徵被稱爲"參數" 或"自由度"..理論表明, 一個獨立的自由度都可以用於某個象差的矯正.反之, 每個自由度都會涉及到所有象差.這就意味著,光學設計師能夠把偏差分佈到每一個單獨的表面上. 

上述的重要性能夠舉例說明.這個例子相當重要, 因爲它說明光學設計師如何完成他的任務, 而他的創造性爲什麽在他的任務中扮演如此巨大甚至是決定性的作用.那七種象差能夠被至少八個獨立的系統參數(自由度)所矯正(焦距通常也被考慮之列).三片式的鏡頭(三塊透鏡組成)通常由兩塊彙聚透鏡(凸透鏡 一塊發散透鏡(凹透鏡 組成.這就有了, 六個半徑和三個元件彼此之間的兩個分開的距離.作爲開始, 設計師會選擇基本的系統參數, 例如玻璃類型, 元件厚度, 元件之間的距離,玻璃表面的曲面半徑..那會讓設計師得到六個曲面, 而他可以計算出每一個面産生的象差類型和大小.我們可以簡單地說明如下, 在那種三層鏡片的場合, 第二個面的半徑(第一個元件)産生了球面偏差和顔色偏差, 而第三個面的半徑又産生了慧差和離散. 

光學設計師必須決定如何矯正這些偏差.他也許會試圖改變第一片透鏡的曲面以減少球差但是, 這一曲面也決定著焦距,這是不能改變的.也存在另外一種情形, 改變那曲面將減少球差, 但是慧差又同時增加了.設計師也可以有選擇的把矯正分配到幾個系統參數上去, 以便減少增加其他像差的可能性.在把一個特定的偏差盡可能地矯正後,在加工製造中存在一個問題-----這些參數是否正好在允許的公差範圍內.如果公差太緊,製造部門就無法保證精度. 

讓我們回到象差矯正. 光學設計師會一直變化系統參數, 直到七種象差的水平能使最後的成象誤差非常小.設計師當然也會努力同時使用幾個自由度矯正每一個象差.矯正的"負擔"會被分配到幾個面, 而整個系統將變得更加平衡.設計師可以在一定的範圍內選擇玻璃的類型和曲面組合, 但是每一個組合將導致一個不同的全面矯正.當上述三片透鏡組採用這樣滿足規格的緊湊方法構成時, 我們會發現從成象邊緣開始眩光幾乎消失了.但是, 它仍然在視場裏很明顯. 這裏, 我們遇到了新的問題: SEIDEL偏差不是唯一的光學偏差.SEIDEL偏差被分類爲三階成象誤差. 從邏輯上看, 應該存在更高階成象誤差.最重要的是第五階和第七階誤差.只有當光圈被很好矯正時,這些誤差才會出現. 

理論上講, 一個微小物點也會産生一個微小的象點.實際上這並不成立, 因爲這些額外的誤差會去展示自己,而破壞這樂趣.一個點不會成象爲另一個點, 而是一個具有不同亮度層次的小圓圈.請看說明,點擴散涵數.隨著這些圓圈直徑變小, 小到某一個值的時候,高次誤差就變得明顯了.簡單地說, 這些高次誤差的確存在, 但是, 只有在三次誤差很小的時候, 它們才變得更明顯. 

上面的三片透鏡例子表面了高次誤差的存在, 其時, 眩光仍然存在於視場內.人們可以利用某個已經很好控制的SEIDEL誤差去補償第五次和第七次誤差.這自然是有限的.只有當光圈很小或視場角小的時候, 一個三片透鏡系統才能得到可以接受的成象質量. 

這個結論很重要. 一個特殊的光學系統(透鏡的數量和結構)具有有限的矯正象差能力.這從本質上意味著,在做一個新的設計的時候, 如果有經驗的話,光學設計師只有做出正確的取捨.

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不可能的任務? 
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在早些時期, 那時還沒有電腦, 光學設計師僅僅有一個計算滑尺和對數表作爲計算工具.光線追迹是乏味而費力的. 通常, 幾條光線的路徑會從物點開始追蹤, 知道他們穿過光學系統.這樣的計算相當巨大,而且當是斜光線的場合裏, 它們會變得更複雜.在發明電腦之前, 光線追迹法非常費力. 一個有經驗的數學家要花兩三個月的時間去計算一個中等複雜程度的光學系統(例如三片透鏡 的足夠多的光線軌迹.可以理解, 近似的辦法和化簡的辦法都會用上了.因而得到的光學設計對成象誤差的準確範圍描繪不足.甚至,人們不得不承認這些近似結果幫助設計師準確地決定許多誤差的特徵, 而他們的經驗爲今天的萊卡光學設計師奠定了有價值的基礎. 

所有的基於解析方法的光學設計不會得到準確的解決方案,他們只代表精確解的近似.這就是爲什麽要建立實際的鏡頭模型而檢驗鏡頭的實際表現的原因.有兩個潛在的難點給設計師造成許多問題:鏡頭不能表現出期望的性能或製造部門抱怨在給定的公差範圍內鏡頭是不可能製造出來的.在兩情況下, 設計師不得不全部重新再來. 

優化一個設計可不是件容易的事情.成功需要量許多創造性和物件差效果的良好直覺.當從今天看待一些過去的設計的時候, 人們不得不欽佩那些成就.用現代一起公正的評估表明, 那些著名的設計缺乏精致, 但是的確具有有價值的特質. 

正如上面提到的一樣, 只有適當的光線追迹才能産生準確的結果.但是, 這又造成了一系列新的問題.首先, 設計師需要大量的光線追迹. 過去, 三角公式和對數表被用來做計算.在萊卡, 主任設計師畫一張假像的光學系統草圖,並對一群計算者逐個指導,讓每一位完成部門光線追迹,同時把結果傳遞給同伴.在每一天或一周末, 主任設計師會評估計算結果, 並計劃鏡頭計算的下一個段.因爲所有穿過光軸平面的光線是在一個平面上傳播, 所以跟蹤它們的方程是基於平面幾何的, 這相對來說比較簡單.斜光線的計算需要三維或立體幾何學.其各自的方程也很複雜.因此, 在那些日子了, 只有採用近似公式或省略的方法來追迹斜光線.因此, 只能得到特定光學系統的部分知識. 

隨著電腦的引入, 光學計算的局限性被改善了,更精確的數值演算法 

有了用武之地.數值計算方法能更好改善對重要象差的控制.而且還可以用於優化光學系統.這個資訊的財富也會伴隨他自己的問題.有人告訴你的現在的光學設計師做的工作更容易了嗎? 

光學設計師任務是很重的.在光學參數值, 自由度, 和光學系統矯正水平之間存在著某種聯繫(例如:曲面,厚度,元件之間的間隔),如果自由度大, 那麽光學設計師矯正一個系統的可能性就相應的大.當一位設計師使用更多的鏡片的時候, 他就會得到更高水準的誤差矯正.但是那會附帶巨大的成本上升, 這系統甚至會變得公差太緊而難以生産, 也許還會增加重量. 

因此, 光學設計師需要對一個給定的設計的基本光學潛力做全面的瞭解.在初期設計後, 所有的系統都需要優化.當一個設計不適合微調時, 設計師就只能得到一個失敗的産品.具有六片透鏡SUMMICRON 50F/2鏡頭擁有十個空氣玻璃面和半徑(one per, 六個厚度(一個鏡片一個 和四個元件之間的距離.此外, 每一個鏡片有一個折射率和散射指數. 入瞳的位置也需要精確確定. 擁有這36個參數(自由度), 設計師不得不矯正 60多個不同的誤差.每一個參數大約有10000個不同的值, 每一個參數的每一個變化都會帶來6000多條不同的光線路徑. 

這36個自由度也不完全獨立. 一些需要被組合起來,一些會被其他參數緊緊約束起來.於是, 這36個自由度事實上被減少到20個,別這使設計更家複雜.給定詳細的條件和意向後, 好不奇怪會有成百(雖然不是成千)的設計方案産生出來, 而它們都很接近期望的解決方案. 

可以估計到, 即使用高速電腦以每秒100,000面的速率計算光線追迹, 全面評估所有的六片透鏡SUMICRON設計也需要10的99方年!!!!

那是絕對不可能的. 爲了從這些浩瀚的初步設計中找出最好的設計, 設計師需要瞭解所有象差物件質影響的程度.他也必須瞭解那些能爲鏡頭系統提供必要圖像品質的元件(透鏡 .在一個開銷經濟的範圍內, 現在的設計過程能讓一個小組忙碌兩年.沒有更好的辦法來說明在開始一個新的透鏡系統所需要的光學設計藝術性是多麽的重要. 

這似乎表面, 當今的光學設計師的創造性比在過去更重要. 而事實上就是如此. 

正如上面對三片透鏡計算所描述的一樣,設計師最重要的任務是試圖估計不同的偏差, 然後在規格參數中採取相應的變化(包括:半徑,厚度,間隙和玻璃種類 .開始明智地選擇開始設計的的類型也是很重要的, 這會讓矯正更加可能.

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评估函数 
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当有许多可能性去评估和矫正一个特定的光学系统的时候, 设计师一定要准确感知希望的矫正水平到来的时刻.计算机和光学设计软件会很容易地产生无数数据,能在很短的时间内追迹几百万条光线.光学设计师能够用这些信息分析不同误差的类型和次级.此外, 有两个问题仍然需要回答: 

-1-被计算出来的镜头是否能满足需要? 
-2- 是否有更好的解决方案? 

这就是莱卡镜头设计师的艺术性明显体现的地方了.并不只是莱卡熟悉光学和误差, 熟悉镜头是理想和现实的平衡产物的基本事实, 那是许多方面 互相补偿的误差的平衡.一个镜头里总还会有残余的误差. 最终, 正是这些误差的平衡和补偿方法才决定了所成图象被摄影师所理解和认可. 

莱卡设计师师有一种强烈的愿望发展一种能减少残余象差的误差最优化设计的光学系统.如果, 某人宣称一个特殊的计算不是很好, 那么他应该拥有一个标准来评比较人们拥有的和将拥有的.在这样的情形下, 计算机帮不上忙了.想象你在一架直升飞机上, 正在飞越丘陵地貌风光区,而你试图确定最深的山谷.你一定会确定一个山谷, 而与其周围环境比较它也足够深.但是, 你不知道下一座山后面是什么. 

一个优化程序找到了一个深谷, 它发现了一个局部区域的最低点. 

但是因为没有对全局的认识, 你得继续搜索, 不知道是否能得到最深的山谷.如果一个人能了解光学系统的独特性,那么他就能了解这样的全局结构信息. 莱卡镜头设计师把这称为镜头的灵魂.与镜头相联系的评价涵数一定是现实可行的, 并且它能引出镜头的最好表现.有必要指出, 每一位镜头设计师都会对最好表现有不同的解释. 

我们习惯把光线想象成独立的线条,并沿用在计算中.但是事实上, 在焦平面方向的所有物点发射出的光线构成了一股能量流, 这能量流穿过整个镜头.全部光流从前面的透竟入射, 并通过整个光学系统.这也称为发光流.对这光流的理解和认识在镜头的设计阶段极其重要. 

光能量应该顺滑地穿过镜头, 而没有太大的偏差和阻碍.这听起来似乎象是ZEN哲学.

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设计阶段的步骤 
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在设计一个新镜头的时候, 设计师往往选一个现存的系统开始做改进.在M系镜头中, 重量和尺寸是特别重要的约束条件.首次被附加的规格约束, 诸如:物理尺寸.镜头应该小巧, 便于使用,他们不能阻挡取景器视线.总使用者的角度来看, 这些要求相当合理, 但是这些要求对设计师构成了约束.一般来说,光学性能越好附加带来的物理体积就越大.这就是采用新解决方案的很好理由.例如:为了改善提高期望的效果, 采用非球面镜.为了避免太重, 镜片数量要控制, 玻璃类型也要选择.焦距和最大光圈对次也有影响. 设计师一定要发现一个具有创造性的起始点, 以便设计能达到成功或者至少能有希望最优化(发现最深的山谷)于是, 有一个哲学思考: 一项光学设计应该具备人们可以认识到的一种美.有一些镜头截面看起来很大胆, 而另外一些看起来具有光学美.后者是最好的设计.没有一个好的起始前提, 任何镜头都不可能有所期望的表现.优化会绕着一个圆进行, 有时候不会取得任何进展. 当有一个感觉舒服的起始设计的时候,他可以按下面的步骤进行下去, 针对SEIDEL误差进行矫正. 

到底矫正SEIDEL误差还不太困难, 但是我们知道他们常被用来影响高次误差.因此设计师应该在开始设计时明智地选择有希望的系统参数, 否则他只有采用更复杂的过程达到期望的效果.每一个独立额外的镜头元件能被用来矫正象差, 但是这也制造出新的问题.很快会清楚, 这些问题能够完全被克服.莱卡镜头一个典型的特点是他们具有相对少的镜片.90F/2APO-SUMMICRON-M ASPH仅仅有五块镜片, 而表现出杰出的性能. 

下一步就是要优化系统:小的透镜曲面误差.玻璃类型选择,间隙和厚度都会被用来改善误差矫正的水平. 

最后一步是平衡互相牵扯的残留误差, 以这样的方法达到规定的成象品质. 

在莱卡无声的革命之一是光学工程师和机械工程师之间非常紧密的合作.如果设计出一个镜头而不能被制造出来,或不能以足够的精度制造出来,或以太高的成本制造出来, 这都没什么好处.光学设计师不得不在这写方面很有创造性.一个镜头能接受精密结构的镜头所要求的制造商的公差与那些能接受最精密结构的镜头所要求的公差不同.这是合理的: 当一个人希望在胶片上记录微小物体细节的时候,他能忽略比记录粗糟表面时忽略的更小的误差在装配阶段太紧的制造公差能确保实现每一快镜片的计算性能.维持这个公差范围不是件容易的事情, 只有光学工程师和机械工程师密切合作, 那才可能的.

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不锐利到锐利的过渡 
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只有一个锐利的平面, 那就是焦平面.这意味着, 从物点而来的一束光线会象一个光锥一样穿过焦平面, 理想情况下, 光锥的顶点准确地位于焦平面上,而这一点会会尽可能地小.在这点的两侧的截面比较大, 而这点变成了一个小圆斑, 这就是所谓的弥散圆.如果这个光锥很狭窄, 那么些弥散圆的直径和前后光斑的直径的差别也小.在这种情况下, 锐利转换成不锐利也就很平缓. 

新的莱卡M系镜头的矫正采用的方法致使镜头能重现物体的细节和极细微结构.这也意味着光锥的顶点一定会很小, 而角度会更大.弥散圆将变得比前面例子中的更大.现代莱卡M系镜头很明显从锐利过度到不锐利是很快的.这对全开光圈获得影象是有帮助的.因为影象中的重要部分将明显地从背景中分离出来.弥散圆常会出现一些令人不安,.当创作影象的时候, 这个因素要考虑进去. 

最新的莱卡M系镜头不仅比他们的前辈具有光学性能优势, 而且具有一种不同的影象演绎,当从镜头的老版本变化到新版本时,这一点必须考虑到.但是, 这正是乐趣和莱卡M系镜头的魅力所在:人们应该熟悉它们, 并研究它们的个性.
莱卡M系镜头的灵魂(翻译) - 火星 - 火星之旅

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莱卡M系镜头的莱卡特殊质素(莱卡味) 
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在近代,莱卡M系镜头表现所取得的成就解释如下:光学设计程序改进了,;而且考虑了象差理论,最优化和成象表现权重的最新发现;增加了对不同种类的玻璃的特性的了解.新型玻璃以不断被介绍出来的时代已经过去了.大量的玻璃供应商被编入稳定的目录. 莱卡镜头设计师更愿意创造有一点另类的玻璃, 但是不清楚这是否曾经发生过. 

在机械和光学部门之间的合作是加强了.机械工程师对一个高性能镜头的计算是得到好结果的先绝条件..莱卡具备了丰富的经验: 

-1- 对不同的象差的了解 
-2-不同象差对摄影图象的影响 
-3-这些象差之间的确复杂内部联系 

现代的莱卡M系镜头拥有某些杰出的品质,这能被分类为家族品质. 最新的来卡M系镜头在全开光圈时的特征表现相对它们的前辈表现来说是一个极大的飞跃.这并不完全指图象中央的表现, 而是在整个象场, 或图象区域. 整个对比度也极大地明显被提高.散射光被很好地抑制了,这可以检验影象中的极细微结构而得到验证.老镜头使这些极细微细节模糊了, 根本无法记录下来.反之, 新镜头使他们更加清晰可见, 这在大型投影中可以得到证实.在整个象区域中的亮和暗部分里的高光和阴影的细腻层次已经证明了重要的单色象差, 如:球差,慧差, 眩光已经极大地被矫正了.明亮和阴影下色彩能被还原准确, 表明了杰出的色彩矫正.经常使边缘不够锐利的色彩误差已经被矫正了.另外一个特征是, 新镜头的最佳光圈.这可以收小最大光圈一挡而得到.光圈F5.6或F8被用来的到最好的镜头表现的定理已经不在如此普遍有效了.影象的清晰度也得到提高, 因为散射光线已经被很好控制了,其光能量不再参与成象, 而散射在光学系统中了. 

莱卡M系镜头的这些特质在照片中是清晰可辩的.只有摄影师彻底领会了莱卡的技术, 莱卡镜头的潜在质素才能被挖掘出来.这些镜头的矫正水平是很高的,只有要求高的时候,她才能被完全欣赏到. 一幅20X35CM(8X10)的黑白照片不能展示出镜头能够表现的所有细节,而其微小细节的锐度也不能表现的.但是, 当一个别更大的放大进行时,例如30X40CM(12''X16''). 效果就格外引人瞩目了.当然, 在再现链中的每一个环节必须达到最好. 在这种场合中镜头成了最重要的环节, 而摄影师利需要好好使用它的特性
 
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