物理光學(xué)工程中的光學(xué)鏡頭設(shè)計及使用

王小羊

任何光學(xué)鏡頭,不論是新的還是舊的,都可以用“鏡頭描述”這個術(shù)語來區(qū)分鏡片的數(shù)量,玻璃的種類,鏡片的曲面半徑,鏡片的厚度,鏡片與鏡片之間的距離,以及每個鏡片的直徑,等等。當(dāng)發(fā)自于某個物體的光線穿過玻璃表面時,該束光線會被折射,就如我們在中學(xué)物理課本中學(xué)到的物理知識所描述的那樣:光線折射量取決于玻璃的折射率。如果鏡頭設(shè)計者能知道光線射入鏡頭前鏡片時的確切入射位置,以及入射角度,他就可以通過光線理論系統(tǒng)精確地追蹤光路。角度和距離可以通過三角函數(shù)的正弦和余弦算出來。因此通過簡單的平面幾何,光線途經(jīng)的線路就可以被追蹤到。

一、光學(xué)鏡頭的設(shè)計原理

為了獲得一個較理想的光學(xué)鏡頭,光學(xué)設(shè)計人員首先要清晰明確地了解使用要求、使用效果和設(shè)計結(jié)果。在設(shè)計要求方面,設(shè)計人員對鏡頭所要求的焦距、孔徑、視場、最近成像距離等光學(xué)特性參數(shù)和分辨率、畸變、光學(xué)傳遞函數(shù)等成像質(zhì)量特性參數(shù)都應(yīng)熟悉。光學(xué)鏡頭設(shè)計者首先要從光軸上的某點開始追蹤少量的光線,這里所假設(shè)的是每個物象點都會在膠片平面上形成與之相對應(yīng)的點,所以發(fā)自物體的光線都將被轉(zhuǎn)化為這樣的成像點,并且具有同樣的相對位置。光線是由不同波長的、有顏色光波組成的,而且當(dāng)光線進(jìn)入鏡頭時不同波長的光波具有其獨特的光學(xué)路徑,而且理想的光線不可避免地會被鏡片所干擾而產(chǎn)生象差。鏡頭設(shè)計的第一要素就是對這些象差進(jìn)行了解和控制。通過三角幾何函數(shù)可以計算出校正的光線路徑和現(xiàn)實的偏移量,這兩者之差被稱為光線路徑差,使用來控制象差的依據(jù)。典型的象差有球面象差,暈光和失光。

在上世紀(jì)三十年代,盡管人們對象差進(jìn)行了量化,但象差始終是鏡頭設(shè)計的困擾因素。對于設(shè)計者來說,如果想對象差進(jìn)行校正,就必須知道特定象差對于成像會造成什么影響。球面象差會影響象場中央部分的成像,象面彎曲的程度說明了角部的校正情況。

更多的鏡片給設(shè)計者帶來了更大的自由度,由于有更多的鏡片進(jìn)行表面處理設(shè)計,設(shè)計者就可以在更大程度上控制象差。但是更多的鏡片也意味著更高的造價,也更加趨于更小的生產(chǎn)寬容度?，F(xiàn)在對新鏡頭的設(shè)計要求也越來越高。新的SummiluxR1.4/50要求到達(dá)2個設(shè)計目標(biāo):收縮光圈后像質(zhì)的顯著提高和全開光圈時整個畫面要達(dá)到非常好的像質(zhì),這兩項要求都是它們的前代們所未能達(dá)到的。目前光學(xué)設(shè)計部門大量使用了計算機,計算機及其計算機程序本身是無法找到全部答案的,也就是說設(shè)計者是不可能隨心所欲地來操縱鏡頭的諸多變量的。但是借助于現(xiàn)代計算機的強大能力和對光學(xué)理論的進(jìn)一步研究,光學(xué)設(shè)計人員對5級賽德爾(Seidel)象差的了解已經(jīng)擴展到包含有60多種各種各樣的象差?，F(xiàn)代計算機可以做到每秒鐘追蹤計算200?郯000條光線,各種參數(shù)的數(shù)量也在增加,對于一個6片鏡片的設(shè)計,計算機需要進(jìn)行許多年的計算才能找到全部可能的結(jié)果,而所需的時間是天文數(shù)字——以1開頭,后面有99個0。

自上世紀(jì)八十年代末至今的第三代光學(xué)鏡頭設(shè)計的特點是在鏡頭設(shè)計的兩大制約因素——機械精度和可接受的成本——之中尋求更加優(yōu)異的光學(xué)設(shè)計?，F(xiàn)代Leica鏡頭的設(shè)計是用來挑戰(zhàn)膠片顆粒的極限的。如果說有什么設(shè)計知道原則的話,那這個原則就是:對低頻空間頻率的極高的反差表現(xiàn)和對高頻空間頻率的高反差表現(xiàn)。這樣的表現(xiàn)本身就不是容易達(dá)到的,而且有全開光圈時候?qū)τ谙髨龅拇蟛糠謪^(qū)域要有如此的表現(xiàn)。

二、光學(xué)鏡頭的設(shè)計和使用必須緊密結(jié)合

評價光學(xué)鏡頭的好壞直接涉及使用、設(shè)計和制造三個方面,它們之間的關(guān)系極為密切。光學(xué)鏡頭的設(shè)計人員必須深入實踐,克服與使用者的溝通障礙,能夠站在他們的角度考慮設(shè)計思路。這一個過程,實際上就是將使用者的“設(shè)計要求”正確變成“設(shè)計指標(biāo)”進(jìn)而變成“設(shè)計結(jié)果”的過程。當(dāng)設(shè)計人員完整地清楚了使用者的設(shè)計要求后,才能確定可行的設(shè)計方法,并按照象差設(shè)計規(guī)律確定各種象差的平衡方案,進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,最終達(dá)到符合使用要求的設(shè)計結(jié)果。然而,如何評價優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果達(dá)到了設(shè)計要求呢?實際上這里提出了“設(shè)計結(jié)果”如何體現(xiàn)“設(shè)計要求”的問題。光學(xué)設(shè)計階段的成像質(zhì)量評價原則,是基于長期光學(xué)設(shè)計和加工實踐反復(fù)摸索、總結(jié)規(guī)律而產(chǎn)生的理論。但是,根據(jù)這些評價原則對鏡頭進(jìn)行評價,并不能代替未來產(chǎn)品的實際成像質(zhì)量,最終的成像質(zhì)量評價有待于產(chǎn)品生產(chǎn)制造出來后對產(chǎn)品通過各種儀器進(jìn)行測試和實際使用效果進(jìn)行檢驗。一般而言,根據(jù)使用要求所進(jìn)行的設(shè)計,總是預(yù)示著加工成產(chǎn)品之后的使用效果,兩者之間是有機聯(lián)系著的,有相對的一致性,存在著“變成”和“體現(xiàn)”的關(guān)系。在實際設(shè)計當(dāng)中“最好的”、“成像質(zhì)量最優(yōu)化的”未必就是實際工程實現(xiàn)“最合適”的系統(tǒng)。從工程設(shè)計的角度看,一個成功的設(shè)計系統(tǒng)往往并不是選用最高精尖的技術(shù)手段和材質(zhì)完成系統(tǒng)設(shè)計,而是以能夠完成設(shè)計要求、成本最低為指導(dǎo)原則的。設(shè)計結(jié)果體現(xiàn)使用要求的成像質(zhì)量評價問題極為重要,它需要設(shè)計人員不斷摸索實踐,涉獵相關(guān)邊緣學(xué)科,培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維。

總而言之,光學(xué)鏡頭是由一系列透鏡單元組合而成的,其設(shè)計是極具創(chuàng)造力的工作,設(shè)計人員必須基于經(jīng)驗和敏銳的洞察力來了解各種各樣光學(xué)象差的特性。據(jù)了解,現(xiàn)代光學(xué)鏡頭的設(shè)計是可以用來挑戰(zhàn)膠片顆粒的極限的。透鏡從理論上講可以有效地集中光線,可以制成完美無缺的光學(xué)鏡片,但理想化的完美鏡片實際上至今尚未被設(shè)計成功,因為在實際生產(chǎn)時,限于材料和條件因素,制造出來的光學(xué)鏡片并不能達(dá)到完全理想的狀態(tài),多少會存在偏差現(xiàn)象。