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硬货探索双高斯镜头结构
硬货丨探索双高斯镜头结构
一经典结构Rudolph博士1896年提出的6片/4组双高斯结构(ZeissPlanar),是120年以来至今仍然活跃的光学结构,是被各厂家采用最多的一种光学结构。
二经典镜头双高斯结构最适合设计35-90mm焦段的镜头,这是最适合拍摄日常生活的焦段,除非你想拍摄野生动物或者昆虫的特写这些够不着看不清的场景,双高斯镜头是最佳的选择;这个结构已经超过百年历史,被各路天才光学设计师研究到极致,成像质量指标多次被刷新,性能达到巅峰,存在着很多经典镜头。
Leica:
Summicron
50mmf/2Rigid1956-1968Summicron35mmf/2八枚玉1958-1974Summilux-M75mmf/1.41980-2007Canon:
EF50mmF1.2L2006-至今三
发展演变1高斯结构和双高斯结构(4片/4组)
①1817年,德国数学家高斯(Gaup)为了消除天文望远镜
的像差,提出由一片凸镜和一片凹镜两片新月型镜片的组合结构,即高斯结构(2片/2组)。
②1888年,Clark提出
用两对高斯结构沿光圈对称组合的镜头结构,这就是双高斯结构(4片/4组)。
2对称双高斯结构(6片/4组)
1896年,Rudolph发现,4片薄形镜片双高斯结构,正负镜片之间的较大间隔会产生明显的像差,把薄的负镜加厚,减小正负镜片之间的距离,可以降低像差;继而,将加厚的负镜用1片正镜和1片负镜组成的粘合负镜代替,粘合的两片镜片使用不同色散系数玻璃(折射率约相同),由4片4组变成6片4组,可以进一步消除像差,首次实现了大光圈(f/4.5)时非常好的校正多种像差,使得大光圈镜头拥有高质量的光学表现成为现实。
这是在还没有高折射率玻璃的时代,蔡司公司对双高斯结构设计的创新,是双高斯结构设计的第一座里程碑。
蔡司公司命名这种双高斯结构为Planar,含义为平坦,意即像场平坦。
3非对称双高斯结构(6片/4组)1920年,Lee为了修正大光圈(f/2)情况下对称双高斯结构的像差,提出非对称双高斯结构,使用高折射率光学玻璃,这是双高斯结构设计的第二座里程碑,在没有镜片镀膜的时代,达到了双高斯结构设计的顶峰;此后非对称双高斯结构发展出很多变化,有的将粘合镜片分离,有的将一片透镜分由两片代替,但整体结构依旧是非对称双高斯;为了实现更大的光圈,1930~1960年代流行7片5组设计,1960~1980年代流行7片6组设计;非对称双高斯结构是双高斯结构设计发展中第一个取得商业成功的定型镜头结构,虽然历经120年,非对称双高斯结构仍为现代主流高质量镜头的设计基础,2004年发布的ZeissPlanarT*50mmf/2ZM镜头,采用6片4组双高斯结构,与1920年Lee版双高斯结构十分相似。
Lee版6片/4组非对称双高斯问世以来,采
用这个结构的著名镜头厂商生产的镜头型号系列:
Zeiss:
BIOTAR、PLANAR、FLEXONLeica:
SUMMAR、
SUMMICRON、SUMMILUXSchneider:
XENON
Angenieux:
S-TypeDallmeyer:
Super-SixKinoptik:
ApochromatKodak:
Ektar1817高斯结构~1888双高斯结构~1896蔡司双高斯结构~1920非对称双高斯结构4镜片镀膜技术在双高斯结构设计发展中的作用1896年,HaroldDennisTaylor发现光学镜片的防反射涂层现象,1904年注册专利并开始给镜片增加防反射涂层,他使用的涂层材料和工艺方法不能保证每个批次的镜片都能加上防反射涂层;基于DennisTaylor的镜片防放射涂层思想,1935年Smakula发明了镜片单层真空镀膜技术,注册了单层真空镀膜专利,彻底解决了镜片镀膜技术问题。
镀膜的主要作用是增加光线在镜片和空气接触面之间的通光量,减少光线在镜片之间的反射,从而减少杂光/炫光/鬼影。
非对称双
高斯结构在当时的历史条件下,虽然是非常优秀的光学结构,但由于无镀膜镜头的镜片数量限制条件,使得这种光学结构在技术上仍然欠缺一环,仍然没有达到适应广泛应用的技术指标,万事俱备只欠东风,镀膜技术解除了镜头镜片数量限制条件,一举为双高斯结构的市场普及解决了最后一个技术问题。
无镀膜时代的镜头,镜片不能太多,以镜片和空气的接触面计,6片/4组双高斯结构已经达到了8个接触面,基本达到了无镀膜镜片结构的极限,在这种情况下,由于镜片反射光线减少的通光量以及造成的炫光和鬼影,致使双高斯设计不能发挥出其固有的光学结构优势,限制了非对称双高斯这种优秀的光学结构的市场普及,也限制了双高斯结构的进一步发展变化,比如难以再增加镜片或增加空气接触面来修正像差,镜片镀膜技术的发明,使得这些问题迎刃而解,解除了限制双高斯结构发展的枷锁,在镀膜条件下,光线在镜片空气接触面上的反射大量减少,使得镜头可以含有更多镜片空气接触面而不至于像质下降,增加了光学结构设计的自由度,在此前提下,双高斯结构设计就可以采用一些在无镀膜时代不可能的变化,比如,增加镜片数量,把粘合镜片分离等等。
至此以后,双高斯结构迎来了蓬勃的大发展时代。
5增加后组镜片的非对称双高斯结构
1930年,Lee为了增大光圈修正像差,进一步改进设计,在
6片/4组非对称双高斯结构的基础上,在后组增加一片镜片,
形成7片/5组结构(1-2:
2-1-1),即SuperSpeedPanchro镜头。
此后这种设计被众多厂家引用,一直流行到1960年代,基于这种修正思路,还发展出在后组增加2片/2组或2片/1
组的设计,2013年发布的ZeissTouit32mmf/1.8镜头即是采用这种修正思路,在非对称双高斯结构的后组增加2片/1
组的修正镜组。
1930年代到1960年代流行的7片/5组设计6前组粘合镜组分离的非对称双高斯结构
高斯结构,设计6片/5组结构(1-1-1:
2-1),推出Schneider公司的Kleinbild-Xenon镜头,1950年Tronnier再次使用该结构设计了著名的标准镜头VoigtlanderUltron50mmf/2,
1958年Pentax模仿Ultron双高斯结构设计了55/1.8,1999年发布的KonicaM-Hexanon50mmf/2仍然采用这种结构。
Ultron双高斯结构,6片/5组(1-1-1:
2-1)②1966年
Pentax针对Ultron双高斯结构再次结合后组修正思路,设计了前组分离后组增加镜片的7片/6组结构(1-1-1:
2-1-1),
即SuperTakumar50mmf/1.4(v2)镜头;向前追溯,1964年OlympusG.ZuikoAuto-S40mmf/1.4镜头采用同样的结构,这是一支18X24mm像场的镜头(半格相机),这种结构一直流行到1980年代。
后组增加修正镜片的Ultron双高斯结构,7片/6组(1-1-1:
2-1-1)7在光学中心附近
增加修正镜片的非对称双高斯结构1958Leica八枚玉
Summicron35mmf/2,1979Leica七枚玉Summicron
35mmf/2,1990年代CarlZeissCONTAXGPlanarT*
35mmf/2都是这类结构,在双高斯结构的光学中心附近增加1到2片镜片,主要用于设计旁轴广角镜头。
Leica
Summicron35mmf/2七枚玉8非球面镜片引入非对称双高斯结构①1966年,徕卡公司首先开始生产35mm
相机非球面镜头,在这一年推出的LeicaNOCTILUX50mm
f/1.2镜头,含有2片非球面镜片,光圈达到了1.2,是第一代NOCTILUX。
Canon在1971年开始生产非球面镜头,推出CanonFD55mmf/1.2AL,AL即AsphericalLens的缩写。
这两个非球面镜片双高斯结构的设计策略是在成熟的双高斯结构上使用非球面镜片。
LeicaNoctilux50mmf/1.2CanonFD55mmf/1.2AL(第二片是非球面镜片,最后一片是浮动镜组)②1980年,Mandler博士指出,双高斯结构固有的像差和焦点漂移,在那个时代的合理成本和工艺条件下已经不能进一不改进了,在双高斯结构基础上设计制造一个更好的大光圈镜头非常困难。
③1990年,
Leica设计SUMMILUX-M35mmf/1.4Aspherical(LM35/1.4双非版)时,首次对传统双高斯设计进行了根本性变革,基本思想是必须在镜头整体设计的基本参数层面上统筹考虑使用非球面镜片,寻找最简单有效的设计方案,而不是为了解决设计过程中产生的某些像差而头痛医头的增加镜片。
设计思路是从非球面镜片有机融入双高斯光学系统出发,而不是在双高斯结构之外打补丁。
新的设计使镜头的边缘成像质量有了显著的提高。
这是双高斯结构设计的第三座里程碑*,采用这种设计思想的镜头成像风格和传统双高斯结构镜头有很大的不同。
2004年,LEICASUMMILUX-M
双非版)
50mmf/1.4ASPH的设计遵循了同样的思想。
Leica
Summilux-M35mmf/1.4Aspherical
望远修正的双高斯结构基本的反望远结构是前组凹镜后组凸镜的两片结构,像差太大不能独立构成镜头,需要在后组增加镜组修正像差。
反望远结构的特点是能加大后组透镜与成像平面的距离,用于单反镜头时可以给单反相机留出反光镜的位置,反望远结构是解决40mm以下135SLR广角镜头后组前移的基本手段;进入数码时代,镜头后组远离成像平面,可以减小光线到CMOS的入射角,提升边角成像质量,出于这种特性考虑,反望远结构在2010年代开始用于数码单反相机50mm标准镜头的设计案例多了起来。
1931年,英国TTH公司首次提出用于电影镜头的反望远结构。
1950年,法国Angenieux首次应用这种结构设计单反相机广角镜头RetrofocusTypeR135mmf/2.5,这只镜头是反望远结构修正天塞结构的一种组合结构。
1962年,日本Nikon公司利用反望远修正双高斯结构设计了Nikkor-SAuto35mmf/2.8II。
2013年,德国Zeiss发布Otus1.4/55,从双高斯结构的角度分析这只镜头的光学结构,可以这样理解,前面的4片4组为反望远结构,后面的8片6组为双高斯结构;双高斯结构经过这样修正以后变成了一种更长结构的光学设计,可以使光线垂直入射CMOS,更适合CMOS对光线入射角的要求。
Nikkor-SAuto35mmf/2.8IIZeissOtus1.4/55四
双高斯结构的变化类型总结①变化类型
②1936-2010年间的一些双高斯镜头1936年是蔡司镜头开始真空镀膜的年份,观察70多年以来这70多只镜头的光学结构,发现50mmf/2使用6片镜片是个基准,光圈减小一档到2.8,可以减少1片镜片,光圈增大一档到1.4或者焦距扩展到35mm要增加1片镜片,光圈增大到1.2以上一般要增加2片或更多的镜片。
增加镜片用于校正更多的像差,也容易产生额外的像差,所以用更好的光学玻璃和更少的镜片应该是好镜头的一个参考指标,对于一般场景够用的2.0光圈50mm和35mm镜头,6片或者7片结构值得重视,这正是Leica50mm和35mmSummicron系列镜头的镜片数量。
五关键技术1920年Lee提出高折射率玻璃组成的非对称双高斯镜头以后,各厂家竞相模仿制造更大光圈的双高斯镜头,这些镜头光学素质的差别主要体现在采用的高折射率光学玻璃上,似乎谁有更好的高折射率玻璃谁就有更好光学素质的双高斯镜头。
在双高斯结构的发展历史上,Leica陆续成功的研制出肖特厂(Schott)都没有的超高折射率玻璃,使得众多经典镜头得以实现,成就空前。
高折射率光学玻璃是双高斯结构镜头的关键技术,评判双高斯镜头的价值,是否采用优秀的高折射率玻璃是一个重要参考指标。
光学巨人蔡司公司很少使用非球面镜片,而是坚持采用原始的光学结构设计,加以修正,解决像差问题;非球面镜在同等条件下的确比球面镜有更小的像差,但
是球面镜的像差,往往是镜头成像氛围的主要因素。
结起来,高折射率光学玻璃、镜片镀膜、非球面镜片、以及采用这些技术对传统非对称双高斯结构的优化考量而做出的结构变化,这四项因素,是双高斯镜头成像风格的决定性因素。
六成像风格各家双高斯镜头既有共同的结构基因,又有各自的设计变化,请大家一同贴图,看看成像风格的相似性以及各自独特的氛围。
以下图片按镜头发布时间排列:
DallmeyerSuper-Six38mmf/1.9【1930
年代发布,6片4组】真南帝
CarlZeissJenaBiotar75mmf/1.5【1939年发布,6
片/4组】cglzh995KinoptikApochromat40mmf2
【1940年代发布,6片4组】真南帝KodakEktar47mmf/2【1945年发布,6片4组】真南帝LeicaSummicron50mmf/2Rigid【1956年发布,7片/5组】中鸟VoigtlanderSepton50mmf/2【1959年发布,7片
/5组】fatmikeNikkor-SAuto55mmf/1.2【1965年发布,7片/5组】中鸟CarlZeissUltron50mmf/1.8
【1968年发布,7片/6组】fatmikeKernMacro-Switar
50mmf/1.9forALPA【1968年发布,8片/5组】真南帝Nikkor-H.CAuto50mmf/2【1972年发布,6片/4组】
evansunCarlZeissPlanarT*2/45(ContaxG45)
Summarit40mmf/2.4【1995年发布,双高斯6片/4组】levinsonLeicaSummilux-R50mmf/1.4E60【1998
年发布,8片/7组】冰833565KonicaM-Hexanon
50mmf/2【1999年发布,6片/5组】LeicaSummilux-M
50mmf/1.4ASPH【2004年发布,8片/5组,含1片非球面镜片】CanonEF50mmf/1.2LUSM【2006年发布,
8片/6组,含1片非球面镜片】冰833565ZeissTouit32mmf/1.8[等效135画幅48mm]【2013年发布,8片/5组】花落花无常截止目前以上照片所用镜头的时空跨度:
时间跨度:
1939年~2013年,共计75年焦距跨度:
38mm~75mm
- 配套讲稿:
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