第12講 鏡頭設計的缺陷和解決方案（下）

来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/07/03 09:01:52

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯
結合鏡片 - 解決難題
     
由於凸透鏡的色像差可以由凹透鏡互補而解決，這一成功的案例，激發了更多鏡片設計者，藉由不同的形狀的鏡片組合，來解決其他像差問題。這些鏡片組合逐漸形成一種工業標準，創造了鏡頭工業。
今日的攝影鏡頭就是由一系列透鏡單元組合而成的。設計者通過計算，繪出每片透鏡所需要的前後表面輪廓，選擇玻璃類型並確定鏡頭筒中各片透鏡間的相對位置（包括：光圈孔徑和快門的位置的影響）。所有這些工作的目的都是為了校正混合光學像差。新近電腦輔助設計和製造 CAD/CAM 大幅幫助了鏡頭設計的成形。 儘管，各光學大廠的鏡頭設計不近相同。 但經過數十年的演化，基本鏡頭的構造大致定型。
我們以德國信乃達光學 Schneider Optics 的鏡頭設計圖 Digitar 5.6/100（見左圖 - 可連結到原始網頁，查詢相關數據資料）作一解說。透過橫切面所示，這是一顆 2群5組的定焦鏡頭。兩群是指AB 和CD 相互可以達到互補結果，5組（或片）則為構成這顆鏡頭的鏡片總數。
透過這樣的組合讓彼此的像差和對焦的缺陷減到最低。另外，有些像差則必須通過縮小光圈方能得到改善，特殊類型的像差則部分可以借助透鏡表面曲率的數學比率關系或者對光圈前后的透鏡采用相同的結構等方法進行校正，然而球面鏡的物理極限，無法完全的校正所有產生的誤差，最終的解決方案，則是近代研究推出的『非球面鏡片』。
但是，不論使用何種方案，鏡頭設計者所面對的問題在每一個校正像差的設計過程中，都還是會面臨校正一種光學缺陷往往會致使另一種光學缺陷更加惡化。這個問題，在變焦系列的鏡頭中遇到的更多，為了改善這種狀況，設計者不斷的增加鏡片單元，試圖減輕各種症狀。因為每增加一片透鏡，就可以提供兩個不同的表面曲率和一個不同類型玻璃的設計想法，不過，多出的重量，成本和設計組裝的複雜性，也都影響著設計者的思維。因此，當代的鏡頭設計主要仍是以簡單，多樣和低成本，作為作最大的訴求。
非球面鏡頭的特色

一般來說，照相機鏡頭裏的光學透鏡採用的是球面設計，也就是任何一個切面都是圓形。採用球面的原因是因為加工時比較容易，而在品管上也可以達到較高的良率。但球面並不是最適合光學成像的透鏡形狀，先前介紹過球面鏡會產生許多像差，導致影像模糊失焦。克服上述像差，鏡頭設計者必須在鏡頭中使用很多片透鏡來補償。這樣，在成像品質提高的同時，鏡頭也變得又大又沈。
非球面鏡（Aspherical lens）在鏡頭的光學系統中，可以大幅度提高相機使用大光圈時的成像品質，減小廣角鏡頭的桶狀變形，而且，一片非球面透鏡可以替代好幾片球面透鏡補償像差，能夠非常明顯地簡化鏡頭的光學設計，減小它的體積和重量。幾乎目前大口徑鏡頭如1：1 - 1：4在口徑全開時的光暈，現在都得靠非球面技術來解決。
非球面鏡片一般都安裝在在靠近前片的位置使用。但想得到所需要的非球面形狀非常難，從前只能讓經驗豐富的老師傅進行手工研磨，製造一塊透鏡可能需要耗費幾個月的時間，而且形狀精度也不易保證。隨著研磨技術的發展，『特制的凸輪運動研磨法』和『電腦控制研磨』的實際應用，使非球面鏡片的大量生產得以實現。日本 Canon 公司為非球面鏡的普及化貢獻良多，其在 1971 年推出了世界上第一支包含非球面鏡的單眼相機鏡頭 FD 55mm f1.2 從此開創了鏡頭設計的新時代。後來，Canon 更採用鑄模技術，大量生產非球面鏡，並將之推廣到傻瓜相機和數位相機上。最新的技術，則可將聚苯乙烯之非球面鏡片和普通球面鏡片壓合為一的方法，更大幅度的節省成本。
若採用球面鏡設計一個大變焦範圍的鏡頭，例如：Canon 300mm（見左圖），那至少可能是一顆28片16組的鏡頭才行。若採用非球面鏡則其與球面鏡不同之邊緣部分與中心部分之弧度，非球面鏡以運用邊緣部分的弧度來校正像差，而不是增加透鏡的辦法，約可使鏡片的使用數目減少一半。
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