一 經(jīng)典結(jié)構(gòu)
Rudolph博士提出的4組6片雙高斯結(jié)構(gòu)（Zeiss Planar），是自1896年起120年以來至今仍然活躍的光學(xué)結(jié)構(gòu)，是被各廠家仿制最多的結(jié)構(gòu)。
二 經(jīng)典鏡頭雙高斯結(jié)構(gòu)最適合設(shè)計35-90mm焦段的鏡頭，這是最適合拍攝日常生活的焦段，除非你想拍攝野生動物或者昆蟲的特寫這些夠不著看不清的場景，雙高斯鏡頭是最佳的選擇；這個結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過百年歷史，被各路天才光學(xué)設(shè)計師研究到極致，成像質(zhì)量指標多次被刷新，性能達到巔峰，存在著很多經(jīng)典鏡頭。Leica：Summicron 50mm f/2 Rigid 1956-1968Summicron 35mm f/2 八枚玉 1958-1974Summilux-M 75mm f/1.4 1980-2007Canon：EF 50mm F1.2L 2006-......三 發(fā)展演變從非對稱雙高斯鏡頭商業(yè)成功的近百年以來，雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展出了很多變化，下面總結(jié)一下幾種比較主流的變化類型。1 非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)(6片/4組)6片/4組非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)是雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展中第一個取得商業(yè)成功的定型鏡頭結(jié)構(gòu)，至今仍然在應(yīng)用，2004年發(fā)布的Zeiss Planar T* 50mm f/2 ZM鏡頭即是采用這種結(jié)構(gòu)。①1817年，2片/2組，Gauβ（德國數(shù)學(xué)家高斯），為了消除天文望遠鏡的像差，提出由一片凸鏡和一片凹鏡兩片新月型鏡片的組合結(jié)構(gòu)，即高斯結(jié)構(gòu)。②1888年，4片/4組，Clark提出用兩對高斯結(jié)構(gòu)沿光圈對稱組合的鏡頭結(jié)構(gòu)，這就是雙高斯結(jié)構(gòu)。③1896年，6片/4組(對稱)，Rudolph發(fā)現(xiàn)，4片薄形鏡片雙高斯結(jié)構(gòu)，正負鏡片之間的較大間隔會產(chǎn)生明顯的像差，把薄的負鏡加厚，減小正負鏡片之間的距離，可以降低像差；繼而，將加厚的負鏡用1片正鏡和1片負鏡組成的粘合負鏡代替，粘合的兩片鏡片使用不同色散系數(shù)玻璃（折射率約相同），由4片4組變成6片4組，可以進一步消除像差，首次實現(xiàn)了大光圈（f/4.5）時非常好的校正多種像差，使得大光圈鏡頭擁有高質(zhì)量的光學(xué)表現(xiàn)成為現(xiàn)實。這是在還沒有高折射率玻璃的時代，蔡司公司對雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，是雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一座里程碑。蔡司公司命名這種雙高斯結(jié)構(gòu)為Planar，含義為平坦，意即像場平坦。④1920年，6片/4組(非對稱)，Lee為了修正大光圈（f/2）時對稱雙高斯結(jié)構(gòu)的像差，提出非對稱雙高斯設(shè)計，使用高折射率光學(xué)玻璃，這是雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的第二座里程碑，在沒有鏡片鍍膜的時代，達到了雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的頂峰；此后非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)發(fā)展出很多變化，有的將粘合鏡片分離，有的將一片透鏡分由兩片代替，但整體結(jié)構(gòu)依舊是非對稱雙高斯；為了實現(xiàn)更大的光圈，1930~1960年代流行7片5組設(shè)計，1960~1980年代流行7片6組設(shè)計；雖然歷經(jīng)120年，非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)仍為現(xiàn)代主流高質(zhì)量鏡頭的設(shè)計基礎(chǔ)，2004年發(fā)布的Zeiss Planar T* 50mm f/2 ZM鏡頭，采用6片4組雙高斯結(jié)構(gòu)，與1920年Lee版雙高斯結(jié)構(gòu)十分相似。1817高斯結(jié)構(gòu)~1888雙高斯結(jié)構(gòu)~1896蔡司雙高斯結(jié)構(gòu)~1920非對稱雙高斯結(jié)構(gòu) 2 增加后組鏡片的非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)1930年，Lee為了增大光圈修正像差，進一步改進設(shè)計，在6片/4組非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在后組增加一片鏡片，形成7片/5組結(jié)構(gòu)(1-2:2-1-1)，即Super Speed Panchro鏡頭。此后這種設(shè)計被眾多廠家引用，一直流行到1960年代，基于這種修正思路，還發(fā)展出在后組增加2片/2組或2片/1組的設(shè)計，2013年發(fā)布的Zeiss Touit 32mm f/1.8鏡頭即是采用這種修正思路，在非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)的后組增加2片/1組的修正鏡組。無鍍膜時代的鏡頭，鏡片不能太多，以鏡片和空氣的接觸面計，6片/4組雙高斯結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到了8個接觸面，基本達到了無鍍膜鏡片結(jié)構(gòu)的極限。1935年，Smakula注冊單層真空鍍膜專利，鍍膜的主要作用是增加光線在鏡片和空氣接觸面之間的通光量，減少光線在鏡片之間的反射，從而減少砸光/炫光/鬼影。1896年Harold Dennis Taylor發(fā)現(xiàn)光學(xué)鏡片的防反射涂層現(xiàn)象，1904年注冊專利并開始給鏡片增加防反射涂層，他使用的涂層材料和工藝方法不能保證每個批次的鏡片都能加上防反射涂層；基于Dennis Taylor的鏡片防放射涂層思想，1935年Smakula提出的鏡片單層真空鍍膜技術(shù)徹底解決了問題。在鍍膜條件下，光線在鏡片空氣接觸面上的反射大量減少，使得鏡頭可以含有更多鏡片空氣接觸面而不至于像質(zhì)下降，增加了光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度，在此前提下，雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以采用一些在無鍍膜時代不可能的變化，比如，增加鏡片數(shù)量，把粘合鏡片分離等等，7片/5組(1-2:2-1-1)非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的流行正是受益于鏡片鍍膜技術(shù)。1930年代到1960年代流行的7片/5組設(shè)計3 前組粘合鏡組分離的非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)(Ultron)①1937年，Albrecht W. Tronnier修改非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)，設(shè)計6片/5組結(jié)構(gòu)(1-1-1:2-1)，推出Schneider公司的Kleinbild-Xenon鏡頭，1950年Tronnier再次使用該結(jié)構(gòu)設(shè)計了著名的標準鏡頭Voigtlander Ultron 50mm f/2，1958年P(guān)entax模仿Ultron雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計了55/1.8，1999年發(fā)布的Konica M-Hexanon 50mm f/2仍然采用這種結(jié)構(gòu)。Ultron雙高斯結(jié)構(gòu)，6片/5組(1-1-1:2-1)②1966年P(guān)entax針對Ultron雙高斯結(jié)構(gòu)再次結(jié)合后組修正思路，設(shè)計了前組分離后組增加鏡片的7片/6組結(jié)構(gòu)(1-1-1:2-1-1)，即Super Takumar 50mm f/1.4(v2)鏡頭；向前追溯，1964年Olympus G.Zuiko Auto-S 40mm f/1.4鏡頭采用同樣的結(jié)構(gòu)，這是一支18 × 24 mm像場的鏡頭（半格相機），這種結(jié)構(gòu)一直流行到1980年代。后組增加修正鏡片的Ultron雙高斯結(jié)構(gòu)，7片/6組(1-1-1:2-1-1)4 在光學(xué)中心附近增加修正鏡片的非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)1958 Leica 八枚玉 Summicron 35mm f/2，1979 Leica 七枚玉 Summicron 35mm f/2， 1990年代Carl Zeiss CONTAX G Planar T* 35mm f/2都是這類結(jié)構(gòu)，在雙高斯結(jié)構(gòu)的光學(xué)中心附近增加1到2片鏡片，主要用于設(shè)計旁軸廣角鏡頭。 Leica Summicron 35mm f/2 七枚玉 5 非球面鏡片引入非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)①1966年，徠卡公司首先開始生產(chǎn)35mm相機非球面鏡頭，在這一年推出的Leica NOCTILUX 50mm f/1.2鏡頭，含有2片非球面鏡片，光圈達到了1.2，是第一代NOCTILUX。Canon在1971年開始生產(chǎn)非球面鏡頭，推出Canon FD 55mm f/1.2 AL，AL即Aspherical Lens的縮寫。這兩個非球面鏡片雙高斯結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略是在成熟的雙高斯結(jié)構(gòu)上使用非球面鏡片。Leica Noctilux 50mm f/1.2Canon FD 55mm f/1.2 AL （第二片是非球面鏡片，最后一片是浮動鏡組）②1980年，Mandler博士指出，雙高斯結(jié)構(gòu)固有的像差和焦點漂移，在那個時代的合理成本和工藝條件下已經(jīng)不能進一不改進了，在雙高斯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計制造一個更好的大光圈鏡頭非常困難。③1990年，Leica設(shè)計SUMMILUX-M 35mm f/1.4 Aspherical （LM35/1.4雙非版）時，首次對傳統(tǒng)雙高斯設(shè)計進行了根本性變革，基本思想是必須在鏡頭整體設(shè)計的基本參數(shù)層面上統(tǒng)籌考慮使用非球面鏡片，尋找最簡單有效的設(shè)計方案，而不是為了解決設(shè)計過程中產(chǎn)生的某些像差而頭痛醫(yī)頭的增加鏡片。設(shè)計思路是從非球面鏡片有機融入雙高斯光學(xué)系統(tǒng)出發(fā)， 而不是在雙高斯結(jié)構(gòu)之外打補丁。新的設(shè)計使鏡頭的邊緣成像質(zhì)量有了顯著的提高。這是雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計的第三座里程碑*，采用這種設(shè)計思想的鏡頭成像風格和傳統(tǒng)雙高斯結(jié)構(gòu)鏡頭有很大的不同。2004年，LEICA SUMMILUX-M 50mm f/1.4 ASPH的設(shè)計遵循了同樣的思想。Leica Summilux-M 35mm f/1.4 Aspherical （雙非版）6 反望遠修正的雙高斯結(jié)構(gòu)基本的反望遠結(jié)構(gòu)是前組凹鏡后組凸鏡的兩片結(jié)構(gòu)，像差太大不能獨立構(gòu)成鏡頭，需要在后組增加鏡組修正像差。反望遠結(jié)構(gòu)的特點是能加大后組透鏡與成像平面的距離，用于單反鏡頭時可以給單反相機留出反光鏡的位置，反望遠結(jié)構(gòu)是解決40mm以下135SLR廣角鏡頭后組前移的基本手段；進入數(shù)碼時代，鏡頭后組遠離成像平面，可以減小光線到CMOS的入射角，提升邊角成像質(zhì)量，出于這種特性考慮，反望遠結(jié)構(gòu)在2010年代開始用于數(shù)碼單反相機50mm標準鏡頭的設(shè)計案例多了起來。1931年，英國TTH公司首次提出用于電影鏡頭的反望遠結(jié)構(gòu)。1950年，法國Angenieux首次應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計單反相機廣角鏡頭 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5
，這只鏡頭是反望遠結(jié)構(gòu)修正天塞結(jié)構(gòu)的一種組合結(jié)構(gòu)。1962年，日本Nikon公司利用反望遠修正雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計了Nikkor-S Auto 35mm f/2.8 II。2013年，德國Zeiss發(fā)布Otus 1.4/55，從雙高斯結(jié)構(gòu)的角度分析這只鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以這樣理解，前面的4片4組為反望遠結(jié)構(gòu)，后面的8片6組為雙高斯結(jié)構(gòu)；雙高斯結(jié)構(gòu)經(jīng)過這樣修正以后變成了一種更長結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計，可以使光線垂直入射CMOS，更適合CMOS對光線入射角的要求。Nikkor-S Auto 35mm f/2.8 IIZeiss Otus 1.4/557 雙高斯結(jié)構(gòu)的幾種主流變化類型①變化類型②1936-2010年間的一些雙高斯鏡頭
1936年是蔡司鏡頭開始真空鍍膜的年份，觀察70多年以來這70多只鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)50mm f/2使用6片鏡片是個基準，光圈減小一檔到2.8，可以減少1片鏡片，光圈增大一檔到1.4或者焦距擴展到35mm要增加1片鏡片，光圈增大到1.2以上一般要增加2片或更多的鏡片。增加鏡片用于校正更多的像差，也容易產(chǎn)生額外的像差，所以用更好的光學(xué)玻璃和更少的鏡片應(yīng)該是好鏡頭的一個參考指標，對于一般場景夠用的2.0光圈35mm和50mm鏡頭，6片或者7片結(jié)構(gòu)值得重視，這正是Leica 50mm和35mm Summicron系列鏡頭的鏡片數(shù)量。四 關(guān)鍵技術(shù)1920年Lee提出高折射率玻璃組成的非對稱雙高斯鏡頭以后，各廠家競相模仿制造更大光圈的雙高斯鏡頭，這些鏡頭光學(xué)素質(zhì)的差別主要體現(xiàn)在采用的高折射率光學(xué)玻璃上，似乎誰有更好的高折射率玻璃誰就有更好光學(xué)素質(zhì)的雙高斯鏡頭。在雙高斯結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史上，Leica陸續(xù)成功的研制出肖特廠（Schott）都沒有的超高折射率玻璃，使得眾多經(jīng)典鏡頭得以實現(xiàn)， 成就空前。高折射率光學(xué)玻璃是雙高斯結(jié)構(gòu)鏡頭的關(guān)鍵技術(shù)，評判雙高斯鏡頭的價值，是否采用優(yōu)秀的高折射率玻璃是一個重要參考指標。光學(xué)巨人蔡司公司很少使用非球面鏡片，而是堅持采用原始的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，加以修正，解決像差問題；非球面鏡在同等條件下的確比球面鏡有更小的像差，但是球面鏡的像差，往往是鏡頭成像氛圍的主要因素。總結(jié)起來，高折射率光學(xué)玻璃、鏡片鍍膜、非球面鏡片、以及采用這些技術(shù)對傳統(tǒng)非對稱雙高斯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化考量而做出的結(jié)構(gòu)變化，這四項因素，是雙高斯鏡頭成像風格的決定性因素。
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