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Tessar和Planar
2010年11月06日 光學設計 ⁄ 共 6301字 Comments Off on Tessar和Planar ⁄ 被围观 12,956 views+

 

蔡司是光學大師,在其品牌下,有不少名垂百年的經典鏡頭光學設計。

 

百年鷹眼 Tessar

Tessar

Tessar 被稱為天塞,是絶多廠家採用的光學設計。使用四片三組的組合形造出透光度高,成像銳利的相片。由於那清晰的形像表現,被封為「鷹眼」。

前組為重鋇冕石單凸透鏡,中組為火石單凹透鏡,後組為一火石凹透鏡和一鋇冕石凸透鏡貼合在一起而成的膠合雙鏡組。光圈安放在後透鏡組之前。天塞鏡頭能很好的校正球差、色差、像散,是最常見中檔次鏡頭。

常見的一種說法,認為天塞鏡頭是根據1893年英國庫克父子公司丹尼斯·泰洛設計的庫克三片式鏡頭,將其後鏡片變為膠合雙鏡組而成,但並非事實。

1890年,保羅·儒道夫設計四片二組蔡司消像散透鏡(Zeiss Anastigmat),其中前後二組都是雙膠合透鏡。

1899年儒道夫發現有時候將膠合雙鏡組分開效果更好,於是將四片二組蔡司消像散透鏡拆成四片四組蔡司烏那鏡頭(Unar)。

1902年儒道夫發現將烏那鏡頭的後面二鏡片變回膠合雙鏡組,效果比烏那鏡頭更好,取名Tessar,來自希臘文τέσσερα的「四」字。

保羅·儒道夫設計的天塞鏡頭,最初只有 f/6.3。

1930年蔡司公司光學設計家恩斯特·萬德斯萊布和 威利·墨爾特利用含稀土元素鑭的光學玻璃制出f/3.5和f/2.8的天塞鏡頭。

天塞鏡頭有一個特點:可以只用前組鏡片對焦,原因有二:首先,由於天塞鏡頭前組透鏡的焦度大約是全鏡頭焦度的3倍,為了達到相同的對焦效果,前組透鏡的移動距離只需要全鏡頭對焦所需的移動距離的1/9,其次,天塞鏡頭中前鏡片與第二鏡片之間的距離較大,因前鏡移動造成此二鏡片距離的變化,占較小百分比,應此對成像質量的影響不太大。[2]前組對焦天塞鏡頭的優點是製造簡單,只需在前組鏡的銅圈上車出羅紋,使用時只需要轉動前組鏡就可以對焦。前組對焦天塞鏡頭由於構造簡單,常用在中、低檔的照相機上。前組對焦天塞鏡頭,由於對焦時鏡片轉動,因此不能使用偏光鏡。

前組對焦天塞鏡頭有成本較低的優點,但是對球面相差的校正略有損失,最好的天塞鏡頭還是用全鏡頭一體對焦,但機械構造比較複雜。

 

利用了Anastigmat鏡頭的後部粘合兩合鏡組和Unar鏡頭具有空氣室的前部鏡組。Tessar鏡頭的前部鏡片與Anastigmat鏡頭一樣,作用非常小,唯一的功能就是對功能強大的後部消色差鏡組所殘留的色差進行校正。該鏡頭粘合的後部鏡組能減少帶狀球面像差,減少被過度校正的傾斜球面像差,以及減少場角中間的像散焦距間的差異。該鏡頭最初設計的最大光圈為f/6.3,到1917年最大光圈增至f/4.5,而1930年梅爾特(W. Merte)和萬德斯列(E. Wandersleb)又共同對其改進,將最大光圈增至f/2.8。

 

有些企業為了繞過專利保護的限制,生產了一些Tessar鏡頭的變型產品。比如,許多企業都生產過一種將Tessar鏡頭的整體結構翻轉,把粘合的兩合鏡組置於鏡頭的前部,有空氣室的鏡組位於鏡頭後部的鏡頭。還有一款變型產品是以一個粘合的三合鏡組替換Tessar結構中的兩合鏡組。福倫達公司的Heliar鏡頭及其變型產品可以被看作是Tessar結構的改進產品,但它在Tessar設計發佈之前就已經開始生產了,也可以算是一種Triplet鏡頭的改進產品。

 

蔡司天塞結構鏡頭:

 

Carl Zeiss Tessar 4.5/40

Carl Zeiss Jena Tessar 2.8/50

CARL ZEISS TELE-TESSAR 300mm/f4

contax tessar 45mm/F2.8 T*

Carl Zeiss Jena Tessar  135/4.5

Carl Zeiss Jena  200mm/F4 MMG Tele-Tessar T*

Carl Zeiss Tessar HFT 135/4  [祿萊口]

Carl Zeiss Tessar T* 160/4.8(哈蘇用)

Carl Zeiss Pro-Tessar 80/4 (Rolleiflex SL26 )

Carl Zeiss Jena Tessar 150/4.5 鏡頭[4×5]

Carl Zeiss Tele-Tessar 200/3.5 T* 鏡頭[Y/C口]

PRO-TESSAR CARL ZEISS 1:4/115MM 卡口鏡頭

CARL ZEISS APO-Tessar 9/600

CARL ZEISS PRO-TESSAR 1:4/85MM卡口鏡頭

 

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蔡司神鏡 - planar

PlanarCarl Zeiss HFT Planar 1.450mm (1974)

這種設計被冠上神鏡之名,由保羅·魯道夫博士(Paul Rudolph)於1896年在蔡司公司設計。planar結構實際上是一種改良的雙高斯結構(double gauss),它是第一款能夠在大光圈時提供無像散的像場且能對球面像差做高度矯正的設計。

由四組六片鏡片構成,採用平直像場設計,對稱的光學減少了球面像差和像散現象,在設計成負透鏡時,鲁道夫博士將兩塊折射比率相同但色散能力不同的玻璃貼合在一起,幾乎所有日本照相機上配用的大光圈鏡頭都源自於planar的改良。

代表鏡頭

Carl Zeiss Planar 50mm/f1.8 QBM:此鏡頭為西德生產

Carl Zeiss Planar 50/0.7:蔡司公司於1966年為美國國家航空暨太空總署(NASA)專門設計的鏡頭,它搭載在阿波羅計劃中的繞月探測衛星上用於拍攝月球背面的地形和地貌。

Contax Carl Zeiss Planar T* 50/1.4:用於康泰時旁軸相機的普拉納結構標準鏡頭,採用了6組7片鏡片的設計。

Carl Zeiss Planar T* 55/1.2:蔡司公司於1996年為了紀念普拉納結構出現100周年而推出的紀念版鏡頭。

Carl Zeiss Planar T* 50/1.4:蔡司公司與日本確善能(Cosina)公司合作推出的單反鏡頭,分別有ZF、ZF2、ZE、ZK、ZS等介面,分別對應尼康卡口、尼康帶電子觸點卡口、佳能EOS卡口、賓得卡口、索尼ɑ卡口,鏡頭為日本製造

原始Gauss與雙Gauss設計

早期望遠鏡的主鏡是一個achromat雙合透鏡,但在1817年德國數學家Carl F. Gauss(1777-1855)提出一個獨特的造望遠鏡主鏡的方式,他建議在一片凸新月形透鏡後面跟著(但不黏合)一片凹新月形透鏡。

不過Gauss的設計沒有引起多大注意,據文獻記載,最先用這個設計的是60年後美國造望遠鏡專家Alvan Clark,他在1877年用Gauss的想法造了一個焦距為9.5英寸的望遠鏡,但因為製造上困難而沒有進一步的發展。Alvan G. Clark(兒子)在1888年認為Gauss的設計應該有進一步探討的價值,他把兩個Gauss雙新月形透鏡以對稱的方式安排(亦即四片四群、4E/4G、或1-1-1-1,見上右圖)並且申請美國專利,這個鏡頭在1890年由Bausch & Lomb生產上市,但沒有多大成功,不過卻引起了一些歐州鏡頭廠的注意。譬如,英國的Ross公司大致在1903年左右用對稱雙Gauss方式生產了Homocentric鏡頭,下面第一張照片是Ross公司後期(1950年代末或1960年)的Homocentric 250mm f/6.3(標的是Homo而不是Homocentric),它是個標準對稱雙Gauss設計,第一與第四片(凸新月形)透鏡可以取下,而光圈則在兩片凹新月形透鏡中央。

不論如何,所謂的Gauss或雙Gauss設計其實與Carl F. Gauss沒多大關係,只是Gauss出了個點子(但卻沒有實現),幾十年後由他人發展成今天使用最普遍的小廣角到中望遠的設計。

對稱雙Gauss設計:Planar

Carl Zeiss的Paul Rudolf在1896年開始研究雙Gauss設計。因為這是對稱設計,前端透鏡組造成的某些像差會被後端透鏡組校正,所以設計人可以專心對付其它沒有被校正的像差。Rudolf的第一個想法是把凹新月形透鏡加厚、並且縮短前後兩片透鏡的距離,不過發現光學品質改善有限。接著他靈機一動,想到在凹新月形透鏡前面安插一個黏在一起的透鏡,透過改變這個新增透鏡表面的彎曲程度,他可以控制色散而不會影響其它像差。於是Paul Rudolf得到了一個極為優異的f/4.5鏡頭,他把這個(對稱的)設計叫做Planar,下圖是Rudolf的原始對稱雙Gauss設計(六片四群、6E/4G、或1-2-2-1),雙合透鏡相對於Gauss設計中的凹新月形透鏡;這六片透鏡中除了在中間的第三與第四片是用氧化鉛玻璃(flint glass)之外,其它四片是用矽酸玻璃(Crown glass)。請注意,以設計而言,Planar比Tessar早出現,都是Paul Rudolf的作品。值得一提的是,雖然我們說Planar是個對稱設計,但事實上前後兩組透鏡只是近似幾何對稱、而非完全對稱。

Planar設計有太多片透鏡,在沒有抗反射膜的時代很容易產生泛光,而且光圈全開時慧形像差(coma)也會使成像鬆軟,得縮小光圈拍攝。但是Planar在當時卻是十分傑出的設計,球面像差與色散都校正得很好、而且有十分平坦的像場。Carl Zeiss在很多場合都推薦使用其它鏡頭(譬如Protar與稍後的Tessar),並且指出只有在要求極高的人像等應用時才建議用Planar,所以Planar的生產量不很大,今天要找到一個品相好的早期Planar就相對地難很多。

非對稱雙Gauss設計

Planar後的下一個重要里程碑是1920年Taylor, Taylor and Hobson公司H. W. Lee的非對稱雙Gauss設計(見下圖),叫做Opic。這是個光圈f/2視角46度(約略是標準)的鏡頭,它仍然維持六片四群的雙Gauss設計,但前後兩組透鏡不但幾何上不對稱,它的後續衍生設計連使用的光學玻璃也不盡相同。之後,非對稱雙Gauss設計大量出籠,幾乎重要鏡頭與相機廠(譬如Angénieux、Dallmeyer、Kinoptik、Leica、Meyer、Schneider、Steinheil、Zeiss等等)都有類似的產品,雖然每一個廠家都會取一個不同的名稱;縱使是Zeiss已經用了Planar,後來也弄出了個Biotar(W. Merté在1927年設計)與Biometar。二次大戰後,東德Carl Zeiss Jena又有Pancolar(因為東德Zeiss不能用西德Zeiss的註冊名稱),而西德Carl Zeiss的Planar也未必是對稱設計。不論如何叫法,這些都是雙Gauss設計,絕大多數是非對稱與它的衍生變型。

最左邊的是Biotar 75mm f/1.5,中間的是Pancolar 80mm f/1.8,兩者都是六片五群(6E/5G、1-2-1-1-1)的設計,在後面的雙合透鏡分解成一凹一凸的兩片透鏡。最右邊的是Nikon AFD 50mm f/1.8,它也是六片五群(6E/5G)的設計、但前面的透鏡組分解開來成為1-1-1-2-1。要提醒的是,並非每一個Biotar(或Pancolar)的光學結構都與下圖的一模一樣,為了遷就鏡頭的焦距、最大光圈等等的因素,這些非對稱Gauss設計是會有稍許差異的。

簡化的雙Gauss設計

繼發展出非對稱Gauss設計之後,接下來就是化簡的手續。首先是英國Wray公司的C. G. Wynne在1944年發現:如果把雙Gauss設計中右邊的凹雙合透鏡組分解成兩片、並且增加凹透鏡的彎曲程度,於是就不需要最後面的凸透鏡了。Wynne用這個手法設計了三個異常傑出、叫做Unilite的鏡頭,下左圖是他的Unilite f/2設計,我們可以看到前半還是雙Gauss設計的樣子,但後半變成一個彎度很高的凹新月形透鏡再加上一個凸透鏡(這兩者原本是黏在一起的)。這個結構把雙Gauss設計的六片四群化簡成五片四群(5E/4G、1-2-1-1)

二次大戰後不少廠家開始用Wynne的技巧設計新鏡頭,早期比較知名的有Schneider Xenotar(上右是Xenotar 80mm f/2.8)與Carl Zeiss Planar系列的一些鏡頭;Carl Zeiss的Planar系列中有些鏡頭後方是兩片透鏡,另一些則是前方,而且還有不少使用六片透鏡。Wynne的設計歷久不衰,極負盛名的Nikon 105mm f/2.5與f/1.8(AI與AIS版,1973年起)都採用這個設計(五片四群、5E/4G、1-2-1-1),下左是Nikon 105mm f/2.5的光學結構。下右圖是Leica在1998年推出的APO Summicron-M 90mm f/2 ASPH,光學結構是五片五群(5E/5G、1-1-1-1-1),前方的凹雙合透鏡分解成兩片,而且第三片前方是非球面,這是個有非常高解像力而且低色散的設計。

大光圈雙Gauss設計

雙Gauss通常是基本廣角到中望遠大光圈鏡頭的基本設計。在討論Charles C. Minor的Ultrastigmat時(見相機鏡頭:Ernostar與Sonner)提過,Minor建議在Triplet前方加一片凸透鏡可以加大光圈,事實上這片透鏡加在後方也會有類似的功效。下面是兩個例子,左邊是Canon為Canon 7設計(使用Canon S-mount的RF機型)的50mm f/0.95,這是七片五群(7E/5G、1-1-2-2-1),第一片凸新月形透鏡後面就是個標準的非對稱Gauss設計。下右是Leica Noctilux 50mm f/1,光學組成是七片六群(7E/6G、1-1-1-2-1-1),其中第一組雙合透鏡分解成兩片,而且最後的凸透鏡也變成兩片。

左邊的是Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7,這個鏡頭前半部是七片六群(7E/6G、1-1-1-1-2-1)的大光圈非對稱雙Gauss設計,它是Carl Zeiss在1966年為美國航空太空總署設計(NASA)、在登月任務中使用的鏡頭,匹配的是一台Zeiss Ikon基於Contarex設計的科學用相機、片幅大約是135底片的一半(半格相機),詳見Hans-Jürgen Kuc寫的Contaflex Contarex,Wittig Fachbuch, 1998這本德文書的頁123到124。這篇文章還有為了拍攝電影Barry Lyndon(亂世兒女)而請人把Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7改裝成電影攝影鏡頭的趣事。下中是Leica在1934年或1936年這段時間中設計的Summar 7.5cm f/0.85(M39版),它也是一個大光圈非對稱雙Gauss設計,結構是八片六群(8E/6G、1-1-2-2-1-1),不過這只是個原型產品並沒有上市;真正生產的是後來Leica Canada為美國海軍設計的ELCAN 90mm f/1(M-mount),但生產數量不詳,事實上因為特殊用途產量可能極少,這個鏡頭的光學結構也是八片六群

另外,Rodenstock的雙Gauss設計Heligon系列也有一些超大光圈鏡頭,譬如TV Heligon 50mm f/0.75與TV Heligon 42mm f/0.75,以及XR Heligon 75mm f/1.1與XR Heligon 100mm f/1.5等等,不過這些都不是傳統攝影鏡頭、沒有光圈、不能對焦、而且因為卡口距很短不容易裝上SLR/DSLR使用(縱使裝成了也只有近拍)。所以這些鏡頭可以玩玩,它們的成像品質可能無法滿足實務上的需求。

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