徕卡镜头是如何研发的

陈仁杰 2000年10月12日

本文所讨论的是包括徕卡早期的螺纹式镜头以及现今的M与R系列镜头超过七十年的研发历史，它反应了高品质镜头不断精益求精的过程，而对于维持徕卡一贯优异品质的设计哲学感到兴趣，并且希望听到相关的阐述的读者们，在这篇文章中您就可以找到答案了！

镜头的功能基本上就是为了捕捉光线，或者我们可以说它是一种让主体从黑暗背景跳脱出来的艺术。从另一个方面来说，镜头的设计在今天可以说是一种非常简单的任务，可以完全由电脑来完成。时至今日电脑已是辅助镜头设计的最佳工具，籍由电脑的辅助设计过去无法制造出来的镜头在今天都已成为可能，运用几个重要的物理程式，以数学的计算方式就可以轻易的计算出相关数据设计出一支尚称堪用的镜头，但对于最顶级的镜头来说，光学工程师丰富的经验与灵感以及工作人员的团队精神都是电脑无法取代的，他们左右着镜头最终的品质，或许我们可以换另外一种说法：要设计出一支质量普通而堪用的镜头时，电脑是主角；而要设计出一支出类拔萃的镜头时，“人”才是决胜的关键。被摄体在底片上所形成的每个细微影像都是光线照到被摄体后所形成的光点（或者是被摄体本身就会发光），经过镜筒投射在底片上所形成的，光学工程师必需熟知光学折射原理以及重要的数学计算法则才能使微小的光点在镜筒中行进时保持最佳的状态。

在没有电脑帮助的时代光学工程师大约要花一个星期的时间去选择那一种镜片结构方式最适合设计要求，比方是左右对称的高斯结构或者是三片式的柯克结构，而这仅仅只是一连串艰巨工作的开始。然后再拿被摄体的几个点，将选用的光学结构方式模拟计算光轴的行进路径。一般来说，所得到的结果都是无法令人满意的，它们会聚集一个模糊的概略影像，当然了，接下来就是一连串的矫正过程，使我们可以得到一个期望中由中央到边角都能展现出锐利、无色差、层次丰富的影像。对旱期的光学工程师来说，光学计算的工作是一件非常费时的艰巨任务，说它是一个冗长的审判也不为过，光学工程师要很仔细的推敲镜片上的每一个折射面，看看它们的焦点是否在正确的位置上？是否落在先前计划好的光轴线上？计算过每一个镜片的焦点后，最后再稍做微调，而要计算每一个镜片的折射状况都必须经过30个左右的人工计算程序推算出9到16个数据，然后才能推算出结果，并且必须再加以验算检查。由于在微调的过程中十分复杂且彼此相关并互相影响，所以要彻底解决并不容易，光学工程师必须考虑整个光学结构问题以及每个独立镜片的自身问题，如镜面弧度、镜片材质、镜片厚度以及镜片距离等等。每个镜片的些微更改都会对画面效果有所影响，使其它镜片的焦点产生位移，产生另一个错位的光轴，所以整个光学系统的改进就是不断在这些变数中取得调和，而这些变数超过了50个。而早期的镜头设计确实也都是在一堆近似值的数据中取得勉强的平衡，怛这在当时是唯一的解决方法。这种以近似值来取舍的方法只能提供原则性的答案，而像差现象、色差现象等等自然无法避免，每一种镜片群的结构都会产生某些难以改变的缺陷，比如说是球面像差、慧星像差、色差等等，而这也是妥协平衡后所得到的结果，为了尽量压低这种妥协所造成的困扰，徕卡的设计人员就必须设计较好的镜片结构方式。

或许人们会问，为何早期只有为数稀少的镜头制造厂才能造出高品质的光学镜头？这答案十分容易理解，因在当时只有像徕卡、蔡司（Zeiss）这种大厂有足够的技术能力，研发出更好的镜片结构方式来弥补每个镜片彼此妥协的结果，换言之，较好的镜片结构方式较能控制每个单独镜片无法解决的问题，而当初开发出来的结构方式至今仍为光学结构的基本型式。我们可以拿1933年生产的Summarl：2／50mm与现今的Summicron-Ml：2／50mm或Surnmicron-R l：2／50mm相比，可以发现它们的结构十分相似，事实证明当时这些结构方式甚至达到了现今的技术水准，剩下的就是针对单独镜片的矫正。反应敏捷的电脑为现今镜头的研发开创了更多更好的可能，我们可以把一大堆复杂又难解的数据交给电脑处理计算，而它处理的能力比任何一个人都要更快、更精准、更值得信赖，当然这些都必须凭借于电脑中的软体程式。

如果光学工程师给电脑一个有“明确定义”的设计程式，那麽电脑会自动告知整个光学结构与每个单独镜片间互相矛盾砥触的地方，这是一件不可轻忽的事，它会告知在不同砥触状况下不同的结果，甚至于可以根据程式设计中的“明确定义”加以修正，而些微的修正一下光学数据都可以对整个影像效果产生重大的影响。电脑的高速运作计算功能使现今的我们能研发出比以前更加卓越的高品质镜头，变焦镜头的改革就是明显的例子，而徕卡早在1951年就已经着手开始以电脑来辅助设计，解决复杂的光学计算问题，徕卡公司是第一个用电脑解决复杂光学计算问题的制造商。

原则上，镜头的制造结构都是考虑在某一个确定范围内有水准以上的影像素质，在某些情况下，比如广角与望远时镜头必须采用非对称式的结构，很可惜，这种非对称式结构的镜头其影像素质受到拍摄距离的影响很大，说的精确一点，也就是拍摄比例。镜头在设计时就要考虑到无论是在何种拍摄比例（距离）都要能展现出最好的影像素质，在能够对焦的范围内它必须是一只在任何尺寸都可以完全信赖的缩放仪，或者是仅存著可忍受的些微像差。或许我们可以换另外一种说法，在所有的对焦范围内，也就是镜头上所标示的条件内，它们的影像素质必须维持在一定水平之上，即使是在最近的拍摄距离也应当如此，它的影像素质不该出现恶化现象。

更好的光学程式是使影像品质提升的先决条件，但这不是唯一的要素；生产技术的提升，比如说是镜片的研磨技术；研发新的处理方式，比如是抗反射镀膜(coating） ；研发新的材质，比如是特殊折射率玻璃，这些要素都必须相辅相成才能制造出现今一流的镜头，而这些要素都是早期的镜头无法享受到的。特别是在特殊折射率的玻璃熔冶上有长足的进步，影响了现代许多镜头的结构方式，这一点在广角与望远镜头的效果上特别明显。很多特殊的玻璃在十几二十年前是不可能制造出来的，新款的特殊折射率玻璃可以使两种镜片结构方式一样的镜头产生完全不同的影像素质。概略的说，中、高折射率的光学很明显的比之前的要改善许多，它们的主要功能在于色彩的改善，例如夹自徕卡威兹拉（Wetzlar）工厂的钢质高折射率玻璃就广泛运用在徕卡所生产的镜头中，并且使影像素质提升不少。

新研发的光学玻璃到底对镜头与影像素质有什麽影响？这可分很多面来逐一讨论。首先是镜片的每一个曲面都能得到更好的折射能力，也就是说它可以尽量减少镜片的弯曲弧度，而且维持住相同的折射能力，同时可减低画面的边缘像差使画质得到提升，这点对大光圈的镜头尤其明显，而且有助于体积与重量的缩减。

第二个重大的作用则是镀膜（Coating）。光源在镜筒内的反射作用降低了影像清晰度，而高折射率玻璃所受的影响又高于低折射率玻璃，但单层镀膜的技术运用在低折射率玻璃时又很容易产生不自然的色调，能解决这个问题的就是多层镀膜技术了，但这对那些表面弧度特别弯曲的镜面又产生了一个问题；镀膜容易剥落，所以必须再加上黏著层，这使整个镀膜厚度变得很厚，影响解析度。整体来说，人们会惊讶于多层镀膜的优点，它将每一片镜片的反射作用降到最低，只有在极少的状况下才会偶尔遇到不良的反射作用。

第三点则是镜片数的减少以及使用能将光谱完全析出的特殊光学玻璃，如此才能对色彩矫正，这种光学玻璃必须对碰撞与温差有一定程度的抵抗力，莹石这方面便扮演了非常重视的角色，复合式镜片的组合方式也能微略达到类似莹石镜片单片的效果，怛复合式镜片容易造成光轴的偏移。另外，当温度升高时，复合式镜片较薄的那一片是比较容易分离，所以相对来说复合式镜片是比较脆弱的。

所有使用者都必须为这些特殊镜片带来的优点付出金钱，不论是在原料方面或者是加工成本方面，整体来说成本都往上扬，而它们的重量也会比一般的光学玻璃来的重。这些特殊镜片的优点是可以有效而平均的减少紫外线波长（UV）对画面不良的干扰，产生较佳的色彩还原，因此另外加一片UV镜对徕卡镜头来说便是多馀的，对于剩余的紫外线在早期的徕卡的镜头中是在复合镜片中的复合层中加上阻绝紫外线的材料，现今则是用镀膜效果来清除。

现代光学的主要工作就是在那些微不足道的残留像差中取得平衡。有一大串方法可以检查镜头的影像素质，不论是用实际的拍摄方法、拍摄实景或测试图，或用0TF、MTF测试法，人们可在画面中观察每一个结像点，而不同的拍摄距离也会造成不同的结果，当镜头改变光圈或是光源的色彩改变也都会影响影像素质，如果镜头设计的好，那麽不论在何种状况下，它都应有水准一致的表现，这也是徕卡镜头一贯的要求基准。残余的不良效果并无法完全消除棹，它们彼此之间必须保持平衡。如果要求一支镜头必须要涵盖许多不同用途，那麽便大大增加了设计的难度，比如是近摄镜头，它们必须在阳光普照的气候下对远处风景的细部做非常精细的描写，又必须在很短的拍摄距离时达到相同的效果，也必须在人造光源如剧场中的效果与日光下一般，不论在什么条件下都必须有很好锐利度与解相度。如上所述，要在设计过程中彼此平衡各种变因，除了满足这支镜头在设计之初所订立的性能外，也要兼顾到对不同题材的表现能力。

如前所述，每一个镜头的设计结果都是在结构方式与每一个镜片间取得一个妥协，为了达到更好的光学表现，因此有必要研发新的光学结构方式以求得更进一步的进展，而这是电脑所无法完成的任务，电脑只能计算出一个数值後再经由光学工程师来确认其是否与之前所订的要求标准相符合，或者可以说是在一连串有可能的数据资料中找到最佳的组合。至今仍然没有任何一种方法可以将我们所要的镜头特性叙述给电脑，然后依此要求制做出完全符合理想的产品。

除了功能目的外，要评价一支镜头的效果纯就光学表现的观点来说仍有许多必须注意的，如果一支镜头的零件组装不良，那么这也是很明显的缺失，不论镜头处于何种状态，是手持或用三脚架，垂直或是水平都必须有一定的品质，而这牵涉到机械结构问题，也会牵涉到光学设计，特别是对单眼相机的镜头而言，更是如此，光圈自动收缩功能会牵动一连串的相关问题以及它与机身接台的问题。光圈自动收缩功能必须在大约1／20秒内由最大光圈缩小至最小光圈，这个动作必须要在快门开始曝光前完成，否则会造成曝光的失误，整个传动过程要尽可能的轻才能减轻相机的晃动，使镜头的光学品质得以充分表现。

另一个问题来自于每一个徕卡相机使用者的期望。希望镜头变的更轻更小，在携带时才不会感到那么沉重，例如使用铝合金就可以使重量明显减轻，但仅仅在对焦筒的螺纹上适合用铝合金，徕卡的镜头都是由铝合金与铜锌合金组合而成的，虽然它们比较重但可以得到比较稳定的效果。虽然经过强化的玻璃纤维材料可以使镜头的重量减轻，但它无法承受较大幅度的温差，冷缩热胀的状况严重，影响镜头的精密度，当然也就影响了画面的品质。

减少镜筒每个零件的厚度也可减轻整支镜头的重量。怛也会降低整支镜头坚固耐用的特性。在选择材料时，我们须考虑到它是否坚固耐用，这也是徕卡镜头驰名的原因。徕卡的每支镜头都必须考虑到全开光圈的影像素质以及在不利的拍摄条件下依然有最佳的表现，而这也是它自1925年开创35mm摄影以来所坚持的信念。