爱华网| 镜头设计者所面临的难题 在本篇文章中我们将讨论，如何将镜片集结成镜头，镜头设计者又如何将各种镜片所产生的正副作用结合，计算出一支完美成像的作品。 由于光线是直线前进，要让光产生折射效果有两种方式，一是两种不同介质的接口，例如:当光通过空气，进入水或玻璃时，由于两个透明介质的物性和密度不同，这些光束即会弯曲或折射。最明显的例子，就是观察一下汤匙半插放入一杯水中，你可以看到汤匙柄变成两段的影像，这是因为反射自汤匙的光线，经过水和玻璃的折射，使得部分的汤匙柄变得扭曲。  描述：1 另一种折射的发生是光入射的角度，当光线在进入和穿过媒介时，与其表面互相垂直的光束将直线穿过。如果光线以斜角进入在通过媒介时，光线可折射到一个可以计算的角度。当光线穿过时，超过直角越多，它们折射的角度越大。 1321634 透镜的问题 理论上 ，透镜虽然可以有效的集中光线，但却也连带的产生一些问题。理想化的完美镜片至今尚未被设计成功，主要的问题在于实际生产时，限于材料和条件因素，制造出来的光学镜片并不能达到完全理想的状态，多少存在偏差 (Aberratio n )现象。一般球面镜片的像差，可以分成下述的五种 ﹕ 球面像差 一个透镜理论上应能够聚焦于一点 (见上图)，但实际上当不同高度之平行光线入射时，并不能真正汇集于一点(见上图黑色实线)，这个的差异量，称为球面像差。球面像差将导致成像模糊无法辨认。而其最近端的对焦点与最远程对焦点的这个距离(蓝色箭头)，称为LSF，也就是最小包围区。一般镜头设计者如要消除这种像差，可以收小镜头的光圈，大口径的镜头则改用非球面镜。 像场弯曲 平面的景物在焦点成像时，透过弯曲镜片将光线扭曲，造成像面不是平面，这种现像便叫做像面弯曲。也就是说，结下的影像，如果对焦在中间的话，则周边不清楚，对焦在周边则中间不清楚。这种像场弯曲，必须依靠修正镜片的像散来改变整体的成像。 慧星像差 英文原名为 Comaaberration，意指透镜的每一个圆环区域使相对透镜的和透镜光轴不同位置离轴之点所发出的光线聚焦形成偏斜光线。由于其成像结果，会形成如同慧星尾巴一样的光班，因此得名。简单的说，慧星像差是反应透镜在偏离光折型态下的一种球面像差。 桶状和枕状形变 平面的四方形测试图在拍摄后，影像与原来的样子不相同，便叫做影像形变。形变像差分为枕状及桶状两种。发生的成因为离轴光束与中心轴形成的角度太大，会将方形的影像拉长成弯曲的枕形。反之当角度太小时，则会变成桶形。 像散 在离光轴的某一点处结下点状的影像时，相对于光轴的同心圆像面按放射状方向分开的话，点不在点内，变成线状或椭圆状的结像，这种现象便叫做像散，一般镜头光圈大小不同对像散有一定影响。 各种像差示意图 1321635 1321636 描述：5 1321638 这五种像差是针对单一波长的单色光线来对镜片进行测试所产生的结果。如果是自然阳光或其它混合色光，则又会因为波长不同，镜片折射率不一样，引起色像差。色像差主要产生于凸面镜的聚焦效果(见下图)，所幸这个问题可以透过凹面镜加以分散修正。 因此，当镜片的集光效应不符所需时，镜片设计者开始思考，如何让镜片达到更好的集光效果。结果从光学物理实验，他们发现当光贯穿一个有弯曲弧度的透明物体时;如透镜，它会依照每一条光束进入和穿透透镜表面的角度，以几个不同的角度来进行折射。这样的效果以凸透镜最为明显。因此，球面凸透镜最早被拿来做为镜头的组成。 色像差 1321639 描述：8 色像差主要发生在影像远离中心之四周范围，主要颜色因光线的扭曲而无法迭合在一起，一般可分为两种: 1. 光轴的色像差 镜片本身的材质影响进入镜片的光线，并造成各种颜色的色光折射率不同，让蓝色光系在离焦点较近处成像，红色系则在较远处。 2. 倍率的色像差 倍率色像差，发生在镜片相互修正上，当凹面镜补偿了焦点位置的光轴色像差之后，整体产生的色光仍然不能一致。这是因为色光的波长不同，焦距亦不一样，所以产生的影像的倍率便因颜色而异，影像的大小会产生色偏移。 结合镜片 - 解决难题 由于凸透镜的色像差可以由凹透镜互补而解决，这一成功的案例，激发了更多镜片设计者，藉由不同的形状的镜片组合，来解决其它像差问题。这些镜片组合逐渐形成一种工业标准，创造了镜头工业。 1321641 今日的摄影镜头就是由一系列透镜单元组合而成的。设计者通过计算，绘出每片透镜所需要的前后表面轮廓，选择玻璃类型并确定镜头筒中各片透镜间的相对位置(包括:光圈孔径和快门的位置的影响)。所有这些工作的目的都是为了校正混合光学像差。新近计算机辅助设计和制造CAD/CAM 大幅帮助了镜头设计的成形。 尽管，各光学大厂的镜头设计不近相同。但经过数十年的演化，基本镜头的构造大致定型。 我们以德国信乃达光学 Schneider Optics 的镜头设计图 Digitar 5.6/100(见左图 -可连结到原始网页，查询相关数据数据)作一解说。透过横切面所示，这是一颗 2群5组的定焦镜头。两群是指AB 和CD相互可以达到互补结果，5组(或片)则为构成这颗镜头的镜片总数。 透过这样的组合让彼此的像差和对焦的缺陷减到最低。另外，有些像差则必须通过缩小光圈方能得到改善，特殊类型的像差则部分可以借助透镜表面曲率的数学比率关系或者对光圈前后的透镜采用相同的结构等方法进行校正，然而球面镜的物理极限，无法完全的校正所有产生的误差，最终的解决方案，则是近代研究推出的『非球面镜片』。 1321642 但是，不论使用何种方案，镜头设计者所面对的问题在每一个校正像差的设计过程中，都还是会面临校正一种光学缺陷往往会致使另一种光学缺陷更加恶化。这个问题，在变焦系列的镜头中遇到的更多，为了改善这种状况，设计者不断的增加镜片单元，试图减轻各种症状。因为每增加一片透镜，就可以提供两个不同的表面曲率和一个不同类型玻璃的设计想法，不过，多出的重量，成本和设计组装的复杂性，也都影响着设计者的思维。因此，当代的镜头设计主要仍是以简单，多样和低成本，作为作最大的诉求。 非球面镜头的特色 一般来说，照相机镜头里的光学透镜采用的是球面设计，也就是任何一个切面都是圆形。采用球面的原因是因为加工时比较容易，而在品管上也可以达到较高的良率。但球面并不是最适合光学成像的透镜形状，先前介绍过球面镜会产生许多像差，导致影像模糊失焦。克服上述像差，镜头设计者必须在镜头中使用很多片透镜来补偿。这样，在成像质量提高的同时，镜头也变得又大又沈。 描述：11 非球面镜(Asphericallens)在镜头的光学系统中，可以大幅度提高相机使用大光圈时的成像质量，减小广角镜头的桶状变形，而且，一片非球面透镜可以替代好几片球面透镜补偿像差，能够非常明显地简化镜头的光学设计，减小它的体积和重量。几乎目前大口径镜头如1:1- 1:4在口径全开时的光晕，现在都得靠非球面技术来解决。 非球面镜片一般都安装在在靠近前片的位置使用。但想得到所需要的非球面形状非常难，从前只能让经验丰富的老师傅进行手工研磨，制造一块透镜可能需要耗费几个月的时间，而且形状精度也不易保证。随着研磨技术的发展，『特制的凸轮运动研磨法』和『计算机控制研磨』的实际应用，使非球面镜片的大量生产得以实现。日本Canon 公司为非球面镜的普及化贡献良多，其在 1971 年推出了世界上第一支包含非球面镜的单眼相机镜头 FD 55mm f1.2从此开创了镜头设计的新时代。后来，Canon更采用铸模技术，大量生产非球面镜，并将之推广到傻瓜相机和数位相机上。最新的技术，则可将聚苯乙烯之非球面镜片和普通球面镜片压合为一的方法，更大幅度的节省成本。 1321646 若采用球面镜设计一个大变焦范围的镜头，例如:Canon300mm(见左图)，那至少可能是一颗28片16组的镜头才行。若采用非球面镜则其与球面镜不同之边缘部分与中心部 |
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