​​#镜事屋#

 

前言：孔乙己原来也读过书，但终于没有进学，又不会营生;于是愈过愈穷，弄到将要讨饭了。幸而写得一笔好字，便替人家钞钞书，换一碗饭吃。可惜他又有一样坏脾气，便是好喝懒做。坐不到几天，便连人和书籍纸张笔砚，一齐失踪。如是几次，叫他钞书的人也没有了。

 

今天从一本书和三篇论文讲点基本的双高斯镜头设计。

 

书，是《电影摄影物镜光学设计》的相关章节。三篇论文，分别是

 

以Opic结构和Speed Panchro电影镜头行世的光学设计师Horace William Lee的《The Development of the Photographic Lens》

 

徕卡功勋设计师Walter Mandler博士的《Design of basic double Gauss lenses》

 

蔡司镜头设计专家Walter Wöltche的《Optical systems design with reference to the evolution of the double Gauss lens》。

 

 

  双高斯的基本型来自Paul Rudolph设计的Planar，这一设计最重要的两个突破在于，使用厚透镜控制轴外像差，以及充分借助结构在光圈前后的对称消除非对称性像差，例如像散和变形。这使得双高斯结构第一次能够作为一种独立的、具备良好潜能的大光圈镜头结构方案，在实物和设计方案的演化中，他将这一基本型的最大光圈做到F/3.3到F/4.5这一领域。

1920年-1925年间，由于Horace William Lee对五阶像差的代数计算取得新的成果，他对双高斯镜头的系统参数进行了新的调整，在对称性中强调对半系统的严格像差矫正（即双高斯型的前后“单个”高斯结构），并将新式钡冕玻璃应用于摄影镜头设计制造，获得了前所未有的带球差（zonal spherical aberration）和高阶色球差矫正效果（Opic结构和Speed Panchro电影镜头）。

以最终的设计而言，这需要在元祖Planar基础上使用钡玻璃作凸透镜，并加厚胶合镜组中的凹透镜。同时，后组的胶合镜片对色散的精细矫正起到重要的作用，这一时期的光学设计师对折射率相似、色散不同的光学玻璃作了相当多的研究，并延续至二战后镧玻璃出现。

 

在Lee的Opic结构之后，Cooke、Zeiss、Schneider展开了激烈的竞争，并在以电影摄影镜头为代表的领域将光圈推进至1.4以上。这一段历史由无忌用户Xenotar给出独特的视角，但目前尚缺乏足够的资料对他的叙述加以验证。

 

截止这一时期，双高斯镜头作为摄影镜头出现了许多变形，包括大家耳熟能详的非球面镜片。自三十年代起，不断有在高斯型中应用胶合组和非球面的尝试，但真正大规模使用非球面应当是近四十年的事，此处暂略。二战前后较为重要的高斯型变化是将4组6片改为5组7片，由于将凸透镜汇聚光线的负担向后转移，前组可以降低像散和轴外高阶球差。同时，后组的形状可以进行更精细的调节，传统4组6片设计后组难以控制大光圈球差的问题也有明显的改善。因此，5组7片设计在全开光圈（F/1.4-F/2.0）部分的解析力和反差均明显优于4组6片。

 

到五十年代后期，由于相机工业的发展，摄影镜头更多地集中于135画幅和66、67等中画幅，战后经济腾飞导致的家庭便携机狂潮也促使紧凑、明亮的高斯型镜头继续发展。五十年代是镧玻璃应用于高斯型设计的关键时期，由于大批厂家的不断投入，逐渐出现了像LaK9这样的高性能材料，以及折射率更高的LASF系列重镧火石玻璃。这一时期大放异彩的是日系的小原、保谷两厂，由于积极研发用钇、钆、钽、锆为主的混合金属氧化物体系代替氧化钍，因而在折射率大于1.8的无放射性镧玻璃研发中一度领先于肖特。

镧玻璃用于高斯型的凸透镜，是高斯型摄影镜头的革命性进步，极大降低了大光圈的球差和像散，并使得单反相机能够自由地使用长法兰距的50mm F/1.4镜头。这个过程中，旭光学的高桥泰夫、奥林巴斯的坂元悟和蔡司的Helmut Eismann的设计很大程度上推动了F/1.4大光圈镜头从5组7片向6组7片的转变。6组7片设计强化了前组对光线的发散作用，因此镜头的出瞳前移，满足了单反相机配设反光板的需求。类似地，在需要装叶子板的电影摄影机中，小广角至中焦也主要使用各种形制的高斯型镜头。

当然，由于前组对光线的发散加强，后组对高折射率玻璃的需求亦随之增加。因此，在高桥和Eismann的设计中，折射率大于1.78的镧玻璃都是不可或缺的，这也导致当时能使用6组7片高斯构型的镜头造价昂贵。同时，由于高斯型在光圈前后的胶合面对高阶色球差有至关重要的影响（一般而言，光线对胶合面入射角越小则高阶色球差越小），所以前组胶合面拆分属装配较为吃重的设计，也增加了出品难度。计算机辅助设计在这一时期也有迅速的发展，可以参见@阿了_Ale ​的文章。

这一时期，除了使用镧玻璃和常规火石玻璃搭配作为摄影镜头，使用镧玻璃和短火石玻璃的APO高斯镜头、使用萤石和熔融石英的高斯型UV-IR镜头也有一定的研发。

限于时间，这一篇先写到这里。

 

过去的一年，发生了很多事。Alice Simulans没有见到，未尝不是一件好事。但是，我仍然想念他，希望他在那边过得好。我也希望在这个迟钝而彷徨的冬季里，每个人都能过得平安和幸福。希望大家记得一直迷恋高斯型老镜头，福伦达，法系车和高山植物的Alice Simulans。

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