转帖：由数据来分析莱卡镜头的味道和性能

1、转帖：由数据来分析莱卡镜头的味道和性能前言 和莱卡相机同时代诞生的莱卡镜头，其独特的味 道是从那里来的？本文将从光学层面的角度来试探发掘。 作者简介 中川 治平 1931 年生， 1956 年东京大学理学部 物理学科毕业。 同年， 奥林帕斯光学工业株式会社入社， OM 系列镜头的设计阵营加入。 1977 年，奥林帕斯光学工业株式 会社退社。同年 中川镜头设计研究所建立，各种镜头设计 的同时，对各光学株式会社的镜头设计给与指导。79 年到91 年 东海大学， 94-97 年，千叶大学 讲师职务担当。 96 年， 工学博士。 著作有镜头设计光学 照相机技术手册 等。中川同时也是日本望远变焦镜头小型

2、化，超广角变焦镜 头设计领域的开拓者。 不依赖计算机设计而诞生的具有丰 富个性的莱卡镜头群（ L-mount 镜头） 作为现代照相机始 祖莱卡 A 型开始发卖的 1925 年，需要庞大计算的镜头设计 完全靠人的手工计算来实现，和现代用计算机设计的镜头比 起来莱卡罗口镜头在很多方面的“味道”都不相同，本文尝 试对莱卡镜头的这种个性和魅力进行分析。 随着近年来 RF 新机种的相继登场，以及各大光学会社对 L 口镜头的推出， 人们对 L 口镜头的关心日渐高涨。此次我们对 10 只莱卡 L 口镜头加以测试，并对测试的结果进行数值分析，据此从镜 头设计的层面，来发掘莱卡镜头个性的秘密。1 在对 镜头性能

3、评价的过程中，如果不能避免评价条件过分单一 化，那么就会得到片面的评价结果。通常我们实际摄影所面 对的被拍摄对象都是立体的，不均质的，而不是平面的和均 质的。所以在某些摄影条件下，就算镜头中存在像差，也会 得到意想不到的漂亮照片。但是存在像差纠正上等问题的镜 头即使能拍出美丽的照片，这到底也是很偶然的。如果不混 杂主观的成分，就是概率上来看，各种像差纠正良好的镜头 也一定是好镜头。 基于测试结果的数值总体的看来， L 口 莱卡镜头的性能和基于现代设计技术而产生的镜头相比都 有一目了然的差别。 L 口镜头多数是 30 年代设计的， 那是没 有计算机的年代，每一支镜头都是凝聚了设计者大量反复枯 燥

4、手工计算的汗水的结晶，所以我们不可能抛开这一点谈论 莱卡镜头如何如何。那么当时的镜头设计到底是个什么状况 呢？莱卡镜头的设计灵魂人物马克思 巴纳克是个什么样的 人，我们来简单的看看。 2 镜头设计中，需要通过“光 线追迹”来计算各种像差，为了把像差修正到目标值之内， 就要反复调整镜头中各镜片表面的曲率，镜片间的间隔，以 及所采用的玻璃等。而“光线追迹”技术是镜头设计的最根 本手法，光线的入射面，需要依靠包含三角函数式的屈折率 算法则来计算。精度必须要达到小数点以下 7 位，没有计算 机，就只有依靠纸和铅笔来做这项工作。首先，通过三角函 数表求得入射光线和法线的夹角的 sin 值，下面再通过对数

5、表求取这个 sin 值的对数，对数值需要修正，由于7 位数的乘法完全靠笔算很麻烦，这里需要四舍五入，对对数的这些 四则运算都结束后，再通过求得的数值去做相反的工作，求 得这个值的三角函数值，然后换算成角度，然后权衡调整， 通过后，那条光线就可以作为下个面入射光线，如此反复。 设计者要对镜头的性能整体把握，最起码画面中心以外的最 大像高（画面的四角） ，最大像高的 30% 和 50% 的像点的情 况的分析是必不可少的，而设计者要了解一个像点的像差情 况至少要做 4，5 条光线的追迹计算。 以上的一连串计算 还只是针对一个波长的光线而言，如果要计算色差的话，仅 仅是波长的数量，相同的计算就要反复的

6、去做。总而言之， 镜头的设计是离不开数量庞大的计算结果的，如果一个区折 面的曲率半径变化了，那么由此带来的像差计算也是极为耗 费时间的。 一条光线通过一个区折面的计算需要 10 分钟 的计算程度，为了避免错误，追迹计算的通常方法是两个人 一组，进行同样的计算工作，这种局面一直到50 年代开始还存在。 而现代的镜头设计中，计算机的计算速度是人的 100 万倍，通过自动设计程序来设计，光点追迹，通过 MTF 来评价。无穷远和最近距离同时得到好像质的设计，考虑到 制造误差的设计等等，都可以通过计算机控制来分析完成。 这些都是过去的人无法想象的，现在这些计算都可以在你吃 饭喝茶之间计算机帮你完成。3

7、当时，计算工作困难 的同时，镀膜技术也很落后，这些最后都影响到设计上。 Taylor 在 1896 年发现了表面污损的镜头其透过率反而增加 的现象。1936年，J.Strong开发成功了依靠真空蒸着方式的 低屈折率牢靠的镀膜，并于 40 年代开始进入实用化阶段。30 年代， 由于缺乏镀膜技术， 所以镜头设计中多采用胶合镜 片来消减空气接触面以减少光线反射。正负镜片的胶合对控 制色差效果很好，总的看来， L 口莱卡镜头的色差都纠正得 很优秀。但是镜片胶合也有负面效应，那就是设计自由度的 丧失。 Summiron 就是采用了和 summitar 胶合镜片相反的做 法，分离了某些胶合的镜组，从而提高

8、设计的自由度，获得 像质上的大幅度跃升。 和 SLR 镜头相比， L 口镜头在设计 上是有优势的，其中之一就是法兰距短，镜头可以小型化。 特别是在广角镜头的设计上， SLR 的广角镜头前部都采用很 大一片负透镜，这是造成畸变，慧差，倍率色差等恶化的根 源。 而像 RF 相机用的 super anglon 镜头，光圈前后结构对 称，前方产生的各种像差，在后方的对称镜组都可以基本抵 消。 除此之外， RF 相机的镜头，还不需特别重视光圈收 缩时候的焦点漂移，这也让重视开放光圈的性能设计变得可 能。4 作为 L 口莱卡镜头设计者，而声名鹊起的马克思 巴纳克。由于出色的设计了爱尔玛，苏玛隆，苏米塔，

9、海克托等镜头。 1938 年的巴黎世界博览会对其授予了大奖。 巴纳克诞生在南波兰的拉齐布鲁茨，柏林大学结晶光学博士头衔， 1912 年加入来兹公司， 比镜头设计更偏向于偏光显微 镜和显微镜理论的研究。 30 年代，巴纳克出版了镜头设 计原理一书，那是我国（日本）镜头设计者的必读书籍， 在这本书中，巴纳克提出了三次像差纠正的设计理论，所谓 三次像差纠正是不使用三角函数，而是通过对近轴光线追迹 的计算获得近似的像差纠正手法。 译者注：由于本人非日 本语及光学相关专业出身，在翻译纯粹技术性的文字时比较 吃力， 往往知道表面的意思， 不清楚具体的内容， 特此抱憾。 下面将要推出 10 只经典 L 口莱

10、卡镜头的评价，因为牵扯到 图表，所以稍后再上。1 埃尔玛 50/3.5 这是只让莱卡镜头确定地位的镜头， 1920 年由巴纳克设计， 埃尔玛的构成是采用了当时光学性能 出类拔萃的Tessar结构。1902年卡尔蔡司的鲁道夫设计的 Tessar结构，根据鲁道夫的设计原理，过去3片柯克结构的镜头的画面中间轮带的残存的非点像差，在Tessar结构中得到比较显著的修正。 鲁道夫的设计思想就是把柯克结构 中，第一，二镜片所造成的发散效应通过后方 3， 4 胶合镜 片来收敛。 可是柯克和天赛镜头所特有的”大肚皮” （非 点像差）特性根深蒂固，埃尔玛也无法脱离这个栉酷。埃尔玛的球差是 +0.3%的过剩补正方

11、式，隆起部分 -0. 1 6%,放射 像面和同心像面在 20 度的时候交叉之后， 再次分得很开 （隔 差大），最大画角的时候同心方向的像面 -0.6 毫米， 放射方向+0.15 毫米。在 15 度位置可以看出两像面补正状态的问题， 放射方向的像面 -0.08 毫米比较小， 而同心方向则超过了 +0.2 毫米，所以非点隔差大的缺点依然存在。 解像力开放光圈 中心 140 线对，画面平均 39 线对，中心和边缘差异显著， 画面的最周边同心方向解像力急剧下降。光圈 F9 时，中心 119线对，平均 69 线对，从图中可以看出，即使对焦位置偏 移，中心解像力仍有 110-112 线对。 2 苏玛隆 5

12、0/2 苏 玛隆 50/2 是莱兹开发的第一支高斯结构的镜头， 1933 年发 售，到 1939 年苏米塔为止，生产了超过 10 万只之多。 和 它的竞争对手卡尔蔡司的松纳比，在实际拍摄上， sonnar 对 于低反差物体的描写要好于苏玛隆。 开发高斯结构（也就 是蔡司 普兰娜结构）的镜头，必须有两个基本条件，一个 是高折射玻璃，一个是镀膜技术，但在当时这两个条件都不 满足（也是sonnar,tessar结构横行天下的原因）。为了避免当时采用高斯结构的缺点，巴纳克采用了球差不足补正的设 计手法（这种手法对后来的德头设计影响深远） ，球差不足 补正，虽然对全开光圈时的分辨率有所损失，但和过剩补正

13、 比， 画面耀光小反差高。 苏玛隆的球差是 -0.06 毫米， 不足 补正型， 最大隆起部分 -0.12 毫米。 像面弯曲， 非点像差的放 射和同心两像面从画面中心到画面中间部分都相当吻合一 致。 中间画角超过之后，同心方向的像面在最大画角处达 到了 -0.8 毫米，放射方向也最大达到了 -0.3 毫米，不能否认 的确大了点。 从这种轴外像差的补正来看，这支镜头不考 虑边缘的对焦，像面倾倒得厉害，从而可以想见全开的光圈 的解像力比较差。 解像力，全开光圈中心 125 线对，画面 平均解像力 45 线对，从 50%像高到边缘，只有 20 线对，光 圈收缩到F6.3，中心解像力达到200线对，但周

14、边部分不变。 总的看来苏玛隆的像差纠正，适合拍摄有纵深的物体。3 苏米塔 50/2 苏米塔是苏玛隆的后继， 从 1939 年开始发 售。 苏米塔也是高斯结构脱胎而来的，和苏玛隆不同，苏 米塔的前两片透镜是胶合在一起的。把单一镜片置换成胶合 镜片是巴纳克喜爱的手法。 苏米塔的目标是把当时高斯结 构的缺点慧差和眩光减低。苏米塔改善了苏玛隆的像面弯 曲，眩光除去得并不算成功，因为更高等级的像差产生了。 从测定结果看，球差是 -0.1 毫米的不足补正型，球差不足补 正，可以消减耀光提高反差，但是却不能避免解像力低下的 问题，像面弯曲， 最大画角放射像面 -0.3 毫米，同心方向 -0.46 毫米，和苏

15、玛隆比，同心像面的改善较大。苏米塔开放的鲜锐度欠佳，但是光圈 F5.6以下，像质提高较大，解像力开 放光圈中心112线对，画面平均 40线对，F8的时候，中心160 线对， 平均 77 线对， 提升较大， 但是像高 30%开始到周 边的放射像面解像力的改善不能感觉到。顺便说一句，第一，二片胶和镜片分离的 summicron, 全开光圈画面中心 180， 平均 100 线对，具有非常高的解像力。4 苏玛利特 50/1.5苏玛利特 50/1.5 是继仙农塔之后莱兹公司自己生产的产品， 于 1949 年登场。 镜头结构同仙农塔一样，高斯结构，最 后方增加一片正透镜， 5 组 7 片。 球差是 +0.

16、18 毫米过剩补 正型，光圈收到F2,过剩补正的成分消失，转而表现为不足， 球差最大隆起 0.05 毫米， 非常出色， 这意味着收缩光圈也不 会出现焦点漂移的现象。 像面弯曲，非点像差的补正和仙 农塔一样，画面中间部分非点像差较大，同心方向画面 15 度处+0.07毫米，最大画角 -0.45毫米；放射像面最大画角 （边 角）只有 -0.1 毫米，中间隆起部分不超过 -0.18 毫米，非常出 色的补正。 解像力，光圈开放中心 140 线对，平均 51 线 对， 50%-30%像高处解像力在 20-30 线对之间，光圈收缩到 F5.6,中心 200 线对，平均 98 线对。2003-11-12 10:05 补充如下 希望今天的译文能有趣点5 埃尔玛 35/3.5elmar 35是L 口来卡镜头中最古老的广角镜头，从1930年开始发售，到 1950 年左右仍在生产。镜头的构成是大家熟知的天塞结构 3组/4片，画面中间部分的非点隔差相当的大， 所谓非点像差在中文中（老顽童编辑给出）就是像散，这包 含了同心方向和放射方向两个像面的像散，而非点隔差就是 两个方向的像散曲线不吻合，其间的差。柯克和天塞这种简 单结构的致命弱点就是画面中间的这种“隔差”大，在曲线 上就表现为“大肚皮”状，从解像力上来看就会造成画面中 间部分解像力低下（日本语：中落现象