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莱卡M 系镜头的核心技术(翻译)  

2017-07-04 13:49:26|  分类: 玩莱卡(Leica M) |  标签: |举报 |字号 订阅

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此文2004年曾发表于摄影无忌莱卡M系镜头的核心技术(翻译)

莱卡M 系镜头的核心技术(翻译) - 火星 - 火星之旅
 
资料来源: LEICA官方网站<<Core technologies>>

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现代莱卡M系镜头领悟了诸多要点:几何和物理光学, 机械工程,光学精加工玻璃选择,残留象差和影象质素的联系.莱卡镜头设计来源于灵感, 创造性, 也来源于涉及光学系统所有相关方面的坚实科学知识.最重要的是WETZLAR年代那些伟大设计师(特别是MAX BEREK)的指导原则,还有他们积累的经验和继承者的观察力.其中的部分知识已经编入计算机程序.有一个无法写成规则, 也无法编成程序的特别重要的东西:研究一个新设计的真实影象潜力和把一个设计转化成杰出影象光学成果的"绝招"

莱卡镜头不仅被高度矫正过, 而且也是手工制作的光学艺术作品.它们被细细地研磨读以表达逼真的影象再现, 这反映了莱卡工程师一致的信念和艺术状态的光学设计.如果我们去辨认莱卡工程师最重用的工具, 那么我们会发现以下秘密:
-1-非球面
-2-高次消色差矫正(Apochromatic correction.)
-3-玻璃选择
-4-薄镀膜
-5-镜头装配工程技术

莱卡囊括了所有的这些技术领域. 事实上, 世界上许多制造商都使用非球面和APO色彩矫正, 并且使用和莱卡工程师.相同的玻璃目录.

作者和莱卡工程师讨论这个主题的时候, 作者陈述了这样一个事实,非球面技术自从上世纪三年代就一直使用了, 而至今仍然被许多光学制造商广泛使用.他们带着特有的谦逊回答道, 非球面技术帮助他们在设计镜头的时候改善影象, 但是他们自己对非球面技术了解不多.让我们看一看这些工具吧, 其中一些竟然是那么古老.

[非球面]


在摄影光学仪器中使用的多数透镜是球面的,这意味着那些透竟的表面是球面的形状.有限的情形中, 会是平面, 即:半径为无穷大的球面.球面西相对来说容易制造, 光线追迹也简单(至少在概念上此). 采用排除方式,非球面定义为: 一种具有与球面不同面的面被称为非球面.一个球面具有一个半径R , 一个光轴上的球心. 半径可以确定在光轴上下的所有点.而对于一个非球面,我们却需要更多的信息.我们对比参考球面和非球面在光轴上下几个高度的差别, 然后把这些数值输入一个发方程式.这个方程会会很复杂, 但是以其较简单的形式, 它们定义了抛物线,椭圆,双曲线.一个非球面可以具有几个非球面区域, 例如:一个是抛物面, 另一个是椭圆面.曲面的复杂性要权衡制造成本和在整个光学系统中的作用.

作为一个优秀光学性能的信心标志,解释非球面透镜在光学镜头中的应用已经成了一个趋势其实,这是不对的.采用特殊的软件,一些光学设计师可以创造出杰出的设计, 而另外的设计师却只能得一个庸俗的结果.

非球面会引入一些被仔细控制的偏差, 从而矫正球面导致的那些偏差.如果你还没有彻底理解系统中的基本象差, 非球面带来的附加影响就不会成功. 

典型的情形是一块具有球差的透镜设计师能够用球面系统去矫正除了球差的所有象差, 而后采用加一个非球面,他就能矫正球差了.

在把非球面用在镜子和望远镜中已经很古老了. 18世纪里,人们采用反复尝试的办法来制造非球面.因此, 这不是象差矫正的新工具.当使用仅仅用球面透镜的系统已经很复杂\庞大时, 非球面就会被使用. (当然也会因为许多其它的原因.)

使用非球面可以为设计师提供额外的光学系统矫正自由度,这会让设计师得到相当紧凑的高质量光学系统.矫正透视的优点是消除球差,并矫正入瞳的球面差(畸变).非球面能够用来提高更大的光圈,更宽的视角,减少重量和体积.(一个非球面可以代替两个球面). 事实上, 非球面会让光学和机械面临许多挑战.

非球面制造商需要极度的精密度.非球面的变形被设计在几分之一个波长,但是这样的精度水平在制造商那里是得不到的.1/4高质量的光学器件所需的精度是1/4波长(人的头发直径的1/3000).在光学实验室里, 这样水平的精度可以用干涉法的到.用这样的方法测试非球面是很困难的, 为了保证0.5 微米的精度, 人们需要用CNC(数控加工中心)的研磨和抛光设备.

无论如何, 莱卡都是用干涉仪检测透镜的球面.他们利用一个补偿系统让球面波前从干涉仪传播到 透镜的非球面.这些补偿系统能由一个球面透镜构成.最新近的办法是用CGH'S(计算机全息).莱卡目前正在采用这个办法.

所需的非球面可以先压成塑料的,也可以是在玻璃透镜上附着塑料的复合形式,正如KODAK公司在盘式照相机上用的那样, 也可以是压铸的非球面镜.

出现于1966年的50F/1.2 NOCTILUX是第一块莱卡生产的具有两个非球面的镜头. 那时候, 非球面被抛光到近似的形状后, 就开始手工抛光.由于对大多数非球面来说变形程度要求很小, 所以就存在一个风险------最后的抛光也许回把曲面还原成了球面.在莱卡只有几个工人能手工调整非球面,他们甚至能在要求形状的情况下制造出非球面.高昂费力的制造方法很快被放弃了.非球面大量改善影像质量的潜力太有吸引力了, 人们不会不去追求.惠更斯早在1678年就描述了它的理论潜力.三百年后,精确制造非球面成了现实.。莱卡首先使用了与Schott 和 Hoya联合研制的新技术。莱卡的贡献在与成型工具。这个方法首次用于35 mm f/1.4 Summilux-M asph ( 21 mm, 24 mm and 35mm f/2镜头都是这个Summilux类型)。此法可以制造高精度表面, 但是技术局限了透镜的直径(大约不超过20MM)。而且,只有极少数的玻璃能够使用,因为它们们必须承受加热,挤压和冷却而不会起不利的反映。这限制了玻璃的选择, 而许多设计师抱怨在玻璃制造商的目录里的100多种玻璃都不够用。


后来使用了计算机控制的研磨和抛光设备,这让设计师们自由选择所需的玻璃类型和口径。在莱卡M系镜头列表中, 90 mm f/2 Apo-Summicron-M ASPH是第一只用这个有前途的技术制造非球面的镜头。

莱卡设计师需要更多的机会去矫正象差。一旦达到了某一影象水平或对一个镜头的理解提高了,他们就会去研究处理更高阶的误差。因此设计师需要更多的可改变和影响的参数。更多的另类玻璃材料 ,更多的透镜要素,这些需求永无止境。对于复杂光学系统的设计和制造来说,非球面镜是一个很有效, 很幽雅的技术。

非球面镜的理论和技术还处于幼年时期,因此肯定不能象球面技术和矫正理论那么好理解。当非球面镜对促进影象质量,减少镜头体积镜片数量有明显优势,或不采用非球面镜无法完成设计的时候,莱卡设计师们会用非球面镜。

仅仅使用非球面镜不会自然而然地创造出高性能的镜头。设计师有时候能够用球面镜创造出理论上讲与非球面具有相同性能的镜头。也许, 在所需的精度和公差范围里这只镜头也能制造出来。所以当莱卡设计师采用非球面的时候,那将是整个镜头系统中的一个深思熟虑的元件。



[高次消色矫正(APOchromatic correction)]


1895年,Ernst Abbe计算出了第一个高次消色差的镜头。在那些日子里,显微镜领域发展迅速,显微镜头所需要的极高的分辨率要求所有的失真都要很小,以至接近衍射极限。然后在影象中总是存在高次消色误差(apochromatic error), 并蔓延在整个象场。通常,它比其它误差值小,以至不能单独被分辨出来。这个高次消色误差造成的可视效果是对比度的蜕化和微小影象细节的模糊。人们可以在影象的中间(在光轴之上)寻找这个高次消色误差。在光轴上,多数让人不爽的误差已经得到了相当有效的矫正, 而只有更难矫正的误差才会留在那里,比如:球差,球面误差中的色差和高次色差。

什么是高次消色误差呢?如果多色光入射到一个透镜,那么它将会被折射成许多光线,各条光线具有不同的波长。每条光线将沿着稍微不同的路径传播。蓝色的光会比红色的光汇聚在距离透镜近一些的位置,在两个汇聚位置之间的距离被称为纵向色差(chromatic aberration)。因为蓝光会聚于离透镜近些, 所以这也会导致象平面更大。 这就是横向色差。人们可以在一个点的周围有一些彩色毛边, 这就是横向色差。

这些色差的大小依赖于ABBE数,折射率,焦距和视场角。其中, 焦距最重要,这就是为什么长焦镜头特别需要矫正色差的原因。由于不同颜色的光在同一块玻璃里的折射率不同而导致的焦距变化被称为色散度(dispersive power.)。这是一个很小数量级的数字,我们注意到在红光和蓝光聚焦点之间的距离在1/60到1/30焦距。这个色彩变化指数就是所谓的色散度。如果要为两种不同的玻璃(例如:Schott BK7 和 SF2)画出折射率和波长之间的关系曲线的话,这两曲线一定是非线性而且不同的。每一种玻璃都有自己唯一的曲线。冕牌玻璃具有相对低的色散而含铅玻璃具有高色散。全光谱的色散定义了总体色散特性。但是如果我们对光谱中的蓝色部分感兴趣,那么我们就要研究这部分蓝光的色散度。两种玻璃有不同的程度的色散, 而色散曲线的形状也是不同的。所以除了全光谱的色散度外,我们也需要研究局部色散度, 所谓局部色散是指部分光谱的色散。如果一种玻璃产生长的蓝色光谱,它就被称为长玻璃;若产生短的蓝色光谱, 它就被称为短玻璃。多数冕牌玻璃是短玻璃;多数铅玻璃冕牌玻璃是长玻璃。一些玻璃不遵守这一般规则。我们有少数的长冕牌玻璃和短冕牌玻璃。这些编外玻璃被称为具有反常色散的玻璃。

在玻璃图表中的多数玻璃呈现直线或轻微弯曲的曲线, 这是所谓的正常玻璃名目表。编外的玻璃(具有反常色散的)是指在正常玻璃名目标以外的那些。

至少从原理上讲,很容易用两块具有相反色散度的玻璃匹配起来, 以使至少两种颜色(红和蓝)的光线在光轴上的同一点汇合。于是我们有了一个消色散组合, 这常常是冕玻璃和含铅玻璃组合。光谱中的其它颜色(除了蓝色和红色), 例如绿色和紫色,仍然会脱焦。这些残留的误差称为二次光谱或二次色彩。

高次消色误差(apochromatic error)就是不同局部色散或不同的玻璃形状局部偏差比例造成的结果。

理论上讲,可以用三片具有不同色散度的的透镜做色散匹配矫正。但是,这些色散曲线的非线性性和局部色散的部分匹配将让设计师的日子难过。为了矫正高次消色误差,使用编外的特殊玻璃是有优势的。但是,这些玻璃具有一些让他们难以对付的性能。它们质软,难于抛光,在给定的直径下可能难以得到,而且也很贵。于是,设计师们试图用常规的玻璃完成高次消色误差的矫正(apochromatic
correction)(三镜片方案)。为了采用这些玻璃, 人们必须考虑单色误差。有时候,在矫正的平衡上遇到困难,他们也许用完了有用的参数以至于需要一个很复杂的系统。

作者在早些时候提到过当矫正系统两个颜色的时候设计师会得到残留的色差。没有任何规则表明这个残留的色差应该多大。为了让镜头能真正消除高次消色误差,也没有任何规则规定高次消色误差应该多小。从实用的角度上看,所有的人会说,在消色差, 半高次消色差和真正的高次消色差之间存在一个长的带宽。因此,带有很小色差的的镜头可能被称为高次消色差镜头,甚至当用普通玻璃做成的镜片完成这样的矫正的镜头也可以说是高次消色差镜头。

莱卡使用正常玻璃目录以外的镜片做高次消色差矫正。这些镜片错误地被认为是APO—镜片, 这是用词不当。事实上,它们是具有反常色散的镜片。它们的色散曲线是非线性的,这使得用这些镜片的做矫正计算很困难。由于曲线绝对不可能完全匹配,所以一些残留的误差将会留在系统中。在消色差矫正后残留的误差被称为二次光谱,而好不奇怪在高次消色差矫正后残留的误差被称为三次光谱。

莱卡设计师非常了解这些镜片的非线性。所谓的艺术就在于知道什么样的镜片用在设计中的什么位置。正如前面表明,具有反常色散的镜片能够在Schott, Hoya, Corning等公司的产品目录中找到, 这目录也列出了所有玻璃的特性。可是,使用这样的镜片不是莱卡的唯一选择。莱卡的核心技术的一部分在于,使用这些类型玻璃的知识和专家意见,以及设计师用来平衡镜头系统中冲突特性的创造性和经验。而这些努力的结果是得到一个被所有的其它误差所平衡的,具有非常小高次消色误差的镜头,而所做的矫正使得在整个影象区域里最大光圈表现优秀。

[镀膜]

没有镀膜的玻璃会反射一小部分的入射光(每单位面积4%的入射光)。带来的问题不是传输光线的大量减少, 而是增加了散射光, 它们会弥漫在整个象平面, 从而造成底对比度的平淡影象。

有两个可能的解决办法。一个是ZEISS的SMAKULA博士在1935年发明的在透镜上镀减反膜;另外一个办法是利用镜头内部的机械结构表面防止内部光的反射。

镀膜技术基本上是一个简单的过程,把一层很薄的低折射率材料的干涉层覆盖在高折射率的玻璃表面上。而实际的数学计算是很复杂的。干涉层的厚度和折射率必须经过计算以至能够发生破坏性的干涉。单层镀膜能被优化成针对单一波长的光,通常是绿光,这就是为什么镜头表面会被看成是紫色的原因。这类镀膜的光学厚度是减反目标光波波长的1//4。它也称为四分之一波长镀膜。赌膜材料通常是折射率为1。38的氟化镁。

,单层镀膜对于低折射率玻璃是不足够, 而对更高折射率的玻璃也不有效。采用三层或更多层可以得到更有效的宽带低反射镀膜。一个三层的镀膜产生具有与所选波长相应的三个最小值的减反曲线。模系的层数可以相当多(6到11层),他们可能是多重作用,用于减少反射促进传播和平衡传播光谱。

可以表明, 具有两个不同折射率的四层镀膜是很有效的。最常用的镜片镀膜技术是热蒸发镀膜。镀膜材料在装有镜片的真空仓里被加热,然后镀膜材料的蒸气会驻留在玻璃的表面上。光子记数器会监视着正确的镀层厚度,但是异常的事情也会发生。并不是所有的镀层材料会以这样的方式驻留,而有时候温度需要更高。电子束镀膜技术的时代到来了。在真空里, 一束高能电子轰击着玻璃,并在加热的玻璃上形成一层膜。

加热和冷却必须很仔细的进行,因为玻璃对这些处理很敏感。镀层必须驻留在光滑清洁的表面上,因为异常的情况会造成不希望的局部反射。清洁过程很重要。莱卡需要一些镜片必须在清洁后的几个小时内镀膜以保证空气没有影响玻璃表面。在上述镀膜技术应用后,镜片表面已经被覆盖了一层百万分之一数量级的小柱状结构。这结果并不是无定形的。它由许多行很小的点状柱构成,有点象一行一行尖冲上的钉子。得到的镀膜表面有显微级的粗糙度

复杂而费时的清洁,加热,蒸发,许多层的冷却处理过程不可避免地产生错误。

莱卡现在采用一项与LEYBOLD合作研制的新技术:离子辅助驻留(IAD)。使用这种技术后加热和冷却阶段不再是必须的了。 而镀层的生长不是柱壮无定形的,而是产生出较光滑的镀层表面。这项技术基本原理是,由用氩离子轰击含镀膜材料的目标,释放驻留在基底上的自由原子形成镀层。

这项技术的应用是莱卡核心技术的又一个例子。

仔细观察光学系统的各个方面, 玻璃选择,玻璃表面清洁,镀膜,装配,计算或质量控制,以发现最好的解决方案,从而达到高性能光学的目标。 
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