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光学大杂烩

徕卡光学设计的三代菁英

时间:2014/5/17 21:47:53   作者:小利子   来源:正势利   阅读:733   评论:0
内容摘要:​★幕后英雄  在本文中我要稍微偏离硬梆梆的镜头测试报告,多谈一些摄影方面的哲学观点。镜头设计不仅仅是科学,同时也是艺术。MTF的测试图表可以提供对于像差校正的深刻认识,但是,MTF测试只能显示某一镜头如何传达「影像在底片上重现的程度」。  自从Berek的时代以来,一支镜头的特...
★幕后英雄
  在本文中我要稍微偏离硬梆梆的镜头测试报告,多谈一些摄影方面的哲学观点。镜头设计不仅仅是科学,同时也是艺术。MTF的测试图表可以提供对于像差校正的深刻认识,但是,MTF测试只能显示某一镜头如何传达「影像在底片上重现的程度」。
  自从Berek的时代以来,一支镜头的特色描述,大多是反差/分辨率、光圈、影像圈、色彩还原率、重量、尺寸、制造公差以及制造成本(在此不提太多类目免得烦人)。这些因素互有影响,光学设计人员必须在其中求得平衡点。
  任何光学设计都必须考虑像差之间的平衡,而不是将其从球形表面上抹除(大多数镜片表面都是球面〔少数是非球面〕)。受到光学法则的限制,所有的成像都是不完美的。
  Berek,Mandler、Koelsch、Shroeder(Shroeder是近年徕卡首屈一指的光学设计奇才),这群徕卡光学设计人员对此都了若指掌。这群菁英对于光学设计都有自己独特的科学知识以及美学判准,这两者在一个伟大的镜头设计中是同等重要的。
  假如可以依照我个人的意愿来将徕卡的光学研发历史分为三个时期,我会以Berek时代作为开始。
★Max Berek的时代
  在1930年代,Berek的目标是提供徕卡用家一套可以发挥「新底片」规格(35mm)潜力的镜头组合,让他们去探索当时人们的生活中,尚未被摄影触及的领域。Berek在设计上遭遇到不少困境,像是因机械精密度所导致的生产力不足、镜头玻璃原料配方太少、当时又缺乏降低耀光的镀膜技术、对于大光圈镜头的特殊需求(因为底片感光速度过低),最严重的,是光学计算能力的限制(当时对于光迹追踪的理论与知识尚未累积成熟)。
  Berek很清楚这些限制,为此他采取了因应之道。他深谙徕卡用家对影像品质的要求,他也知道当时底片感光乳剂的限制,这些都是我们现在不可能身历其境的环境。各位可以想象一下,用一台前所未有的口袋型小型金属制相机、装上一支可伸缩的50mm f/2.5的镜头,对焦时要小心翼翼以确保景深,底片感光度偏偏又特别低的状况下,需要将底片放大三到四倍,品质还要不错的照片,实在不是很容易的。从后来(135相机)的发展来看,事实证明Berek做到了。
  Berek 于1930年撰写了一本《实用光学基本原理》(Grundlagen der Praktischen Optik),在这本手册中我们可以发现到,除了整本的满满的光学公式,和深奥难懂的德国旧式光学记号之外,还有一些非常非常有趣的小故事。
  Berek在著作中指出,希德尔像差(Siedel Aberrations)是所有像差中最显著的,因此务必要全力修正(冯?希德尔研究单色光像差并且定义出下列几种像差:球面像差、彗星像差、像散、变形、像场弯曲等等)。然而,无论你如何校正希德尔像差,接着又会出现更高等级的像差而使影像品质劣化。当画角越大或者光圈越大,这些高等级像差造成的画质劣化就越严重。
  Berek提出一个当时非常重要的观点:那就是「在光学设计中保留少许的希德尔像差是可行的。」借着「刻意不完全校正」希德尔像差,这种设计在光圈大小与成像品质之间取得了一个相当良好的平衡点,影像品质令人感到赏心悦目。此外,Berek还在书中提到,光圈叶片的位置设计、以及暗角的运用,是对付镜头残余像差(residual aberrations)最有力的工具。
  在Berek时代,光学设计者的光学计算力是有限的,因此Berek采取了双线策略。在设计镜头的过程中,他运用了创意、光学理论以及丰富的经验,藉此他只要以最少量的光迹追踪点,就能够找出设计的缺点并加以精密计算,计算结果也能提供凭据,精益求精。
  Berek深知他的设计中可用的玻璃配方寥寥可数,当时也没有高折射系数的玻璃原料。假如我们现在来看一下他所设计的镜头系列(大部分都在1925年到1948年之间完成),我们可以发现,不论是焦距,或是光圈大小的选择总是略嫌保守。一旦要设计大光圈镜头时,Berek会放弃「展示光学威力」的想法,转而设计出一款在全画面都具有愉悦阶调、表现柔顺的镜头。
  Berek的设计在当年相当受到欢迎,但是今天他并没有获得适当的评价。在光学历史书中,最出风头的不是他,而是像Merte、Bertele、Tronnier、Lee等等这些意见领袖。
  我们要记得:这个年代是没有光学测试仪器和方法的的,镜头唯一的测试方法就是实际拍照。Berek的设计所记录下来的影像阶调非常滑顺自然、赏心悦目,这是徕卡光学的遗产。当时的包浩斯学派追求一种「新观点」;而速写大师们则热中于影像中超现实元素的并置(juxtaposition),因此一种率直、不造作的摄影手法蔚为风潮。这两种摄影形式都将一种和谐平衡的光线加入影像之中。鲜有人知的是,Berek本人不但是光学设计者,同时也是一位音乐家,因此音乐美学可能对他在光学像差的处理上有很重要的启发或影响。
  光圈进一步缩小时,Berek镜头的影像品质有极为明显的改善。在小光圈时只有光轴附近的光线得以进入,在光轴附近能够影响影像品质的,大多是希德尔像差。Berek此时就改采严格控制的手法,尽可能做到完善均衡的像差校正。这样的设计取向,结果是相当令人满意的。诸如像使用徕卡的名家爱森史达(Alfred Eisenstaedt)、杜诺瓦(Doisneau)以及其它知名大师的作品,这些像天鹅绒般柔顺的人物描绘,相机与被摄主体间的和谐亲密感,正是Berek设计的潜质所带来的表现。
★Walter Mandler的时代
  从1960年到1980年,是另一位光学怪杰Walter Mandler的舞台。LEITZ公司在此一时期非常奢华地分别在德国Wetzlar原厂,以及加拿大Midland厂设立独立的光学设计小组。有趣的是:德国Wetzlar厂的设计人员倾全力研发复消色差(Apochromatics)以及非球面(Aspherics);而加拿大的Midland厂则对逆焦式(Retrofocus)设计比较感兴趣。你可以想象到这两个设计小组之间竞争的激烈程度。
  从1960年后,高折射系数的玻璃原料开始出现了。以往玻璃型录可见的传统玻璃材料,大多是由蔡司的阿贝(Ernst Abbe)所研发出来的。这些老玻璃的折射系数较低,因此必须要研磨成曲率很大的球面,才能达到设计人员的要求(特别是大光圈设计的镜头更是如此)。但是,这种大曲率的镜片研磨对当时的工业技术来说是很难克服的技术,因此,业界便开始进行稀土元素玻璃的研发。
  很多人都不知道(甚至弄错),镧系稀土元素玻璃的开发,最早是由柯达公司在1930年代开始的。然而,当年许多稀土元素原料都具有放射性,而无法使用在镜头上。后来,科学家将无辐射的稀土原料配方与玻璃融合,高折射玻璃终于由LEITZ光学实验室成功地制造出来了!这就是光学界非常有名的LaK9玻璃。
  现在,光学设计人员手中握有一项新武器了!高折射玻璃具有折射系数高以及低分散的特性,在早期光学像差知识还不是很成熟的时候,高折射玻璃是非常迫切需要的(后来的设计证明,利用传统玻璃与成熟的光学知识,仍然能设计出一款好镜头)。
  在此一时期,计算机也开始成为设计人员的辅助工具,负责繁杂的运算作业。现在,光学设计人员终于可以大量运算「精确」的光迹追踪,而不需要像以前那样要靠许多凭空想象的猜测。在此时,镜头设计的考量之中,玻璃材料的选择与搭配成为一门新的学问。
  然而,这段时间中最秘密的光学革命,不是高折射玻璃,而是优化法(Merit Function)的诞生。设计人员可以(详见LFC另一篇专文:论镜头设计的考量因素)藉由量化的数值与变量,来体现他对于一支镜头的影像品质的要求,并且运用计算机运算得到理想的结果。我们在Mandler的著作《论双高斯镜头设计的基础》(On the Design of Basic Double-Gauss Lenses)一书中,可以看到他对于优化法的陈述。
  到了这个时代,镜头设计不再是「创造」一种设计,而是针对此一设计的最佳化。这些传统的光学设计(诸如triplet、double-gauss、retrofocus、symmetrical wide angle等等)已经由前一代设计者创造出来,新一代设计人员的任务是利用计算机的运算能力,将这些光学基础进一步发扬光大。不过,维持各种光学像差的均衡,仍是光学设计的重要基础。
  藉由计算机辅助工具的运用,镜头设计者可以控制残余像差的多寡,来换取他所要的影像品质。举例来说:我们可以接受在画面中特定区域残留一些球面像差,以便抵销像场弯曲;或者改变焦平面最佳位置,以便降低光圈缩小后所带来的焦点偏移问题。
  假使我们能谨慎地将残余像差分配到画面外缘,这支镜头就能在短时间内以合理的成本制造,并且有「最高境界」的画质表现。当然,最困难的,莫过于「最高境界」这一部分。Mandler的设计目标,就是引入优化法的观念,在短时间内尽可能设计出最好的镜头群。
  镀膜并不会改善镜头原有的特色(镀膜不能改善像差)。因此,在二次大战前的镜头设计即使在战后加上镀膜,表现的光学特色仍然相同。不过,使用镀膜能够降低耀光(flare),因此设计者可以增加镜片的数量,以增加自由度而不会损失反差与透光率。对于经典的ELMAR和SUMMICRON设计来说,加上镀膜的改进程度并不是很大,当然透光率增加是一项不错的好处:以往未镀膜的f/2.0镜头因为进光量的损耗,其实差不多等于一支f/2.5的镜头,现在有镀膜的f/2.0镜头就完全名符其实了。
  新闻记者从事报导摄影所迫切需要的高速镜头,而Mandler当时所设计的SUMMICRON三杰(35mm 50mm 90mm)可说完全满足了他们的需求。在光圈全开时更高的反差表现是极为重要的,影像的特质也因此有了巨大的改变。
  摄影记者们使用徕卡镜头,毫不畏惧地在战争与灾难中纪录下这些残酷的历史。此一时期,镜头的光学表现有了显著的改变:整体对比提升。但是,Mandler的设计灵感,仍是为了符合使用者需求以及光学像差修正的折衷成果。
  1960年到1980年的徕兹(LEITZ)镜头的制造精致度,常被誉为有史以来最扎实、最细腻的。仔细研究这些精密的金属加工,我们可以发现:这些精密的工艺技术可以用来抵消一部份的制造公差。在此一时期,其它厂商的镜头光学品质,往往受到制造机械公差,以及玻璃材质选用影响而有显著的差异。
  「现阶段最高工艺」(State of the Art)是Mandler设计镜头的关键中心。即使在今日,Mandler的设计都能跻身最高水平之列。然而,日本竞争厂商很快地追赶上来,影像品质有极显著的进步。LEITZ时期的镜头设计有其特殊的平衡之道,在影像品质上可说鹤立鸡群,但是诸如像ZEISS、NIKON、CANON、甚至TOPCON等厂商的高级镜头,表现也同样出色。
  LEITZ镜头的设计在影像品质上,特别是在整个影像圈中央三分之二高度的位置,显露出一些设计上的妥协:像场弯曲(Curvature of the Field)在此并没有完全修正。为了抑制其它像差,就要承受这样的妥协。
  LEICA为何忽略像场弯曲校正,可能又是另一则难解的徕卡迷思。事实上,透过研究,我们现在终于了解,LEITZ时期的镜头的特色都是针对双高斯(Double-Gauss)设计作精细微调的成果(译注:在此所提到的像场弯曲,事实上是双高斯设计在全开光圈下的天限。然而在一般摄影场合中,这种像场弯曲并不容易被肉眼察觉)。
  在此一阶段,多层膜的使用是极为保守谨慎的。一方面是因为制造过程复杂;另一方面则是某些镜头设计并不会因为使用多层膜而有显著的成效。一般而言,多层膜的运用对影像成果是有强化作用的。
  Mandler时代设计了许多顶级镜头,这些重要的设计与35mm摄影风格的时代精神紧密地契合。然而,摄影光学的创新发展(变焦镜头)却被日本竞争对手抢先一步。
  下一个LEICA镜头的时代将由才华洋溢的Koelsch博士所领军,他将新的设计概念以及新的生产技术带入LEICA。从1980年开始到1990年,LEICA逐步将新设计带入镜头设计中,最著名的例子便是APO-MACRO-ELMARIT 100mm f/2.8。
★Lothar Koelsch的时代
  LEICA现址位于德国索姆(Solms),此一时期可说是LEICA迈向新设计、新玻璃材质、新生产技术的代表阶段。
  Koelsch最大的贡献,便是打破了传统LEITZ设计的模式,采用最高等级的铸模式以及研磨式非球面技术。最重要的,是进一步将制造公差缩小到LEITZ时代无法做到的境界!
  我们可以从APO-SUMMICRON-M 90mm f/2.0 ASPH的例证中了解到LEICA光学的进步。这款APO镜头在全开光圈的影像品质超越SUMMAREX 85mm f/1.5缩光圈到f/11的表现;同时和旧款SUMMICRON-M 90mm f/2.0光圈缩到f/4时的光学品质一样优异。
  现代的LEICA镜头设计者致力于校正所有的光学像差,他们有纯熟的光学知识和工具(玻璃、机械结构、精密度),无须接受妥协。当然,完美的镜头仍然是不存在的。但是现代的LEICA设计在各种像差中间的平衡之道却提升到更高的层次,精密度也比以往更高。
  如果说Berek的设计让LEICA用家得以在前人不敢按下快门的微弱光线下创作;如果说Mandler的设计重新定义了新闻摄影者的角色,让他们得以纪录人类生活的繁琐细节;那么,我们应该用什么样的观点来看待当代德国索姆的光学设计呢?
  当我们欣赏一些古典相片-以达盖尔(Daguerre)印相法所作的相片时,总是忍不住要赞叹相片上所记录的精致细节与光影。而透过镜头复制影像,我们甚至能够想象一些超脱现实的事物。这便是当代德国索姆设计的精神。情感驱使我们摄影,藉此,我们得以超脱生命中的现实,以镜头凝结那我们珍爱且不愿遗忘的一瞬间。
  早期的LEICA摄影家惊叹于徕卡带来的可能性;后继者则以坦率、正直的新闻观点纪录人们的生活环境;当代的M6用家则享受着现代光学科技的成果:对比、造型、线条、形式、肌理是影像表现的媒介,而现代LEICA镜头所能传输的高信息量便是影像表现的工具。
  当然,我们必须不断练习,才能拥有摄影的技巧,然而,索姆坚持的「现阶段最高光学工艺」,重新定义了「摄影乐趣」,而这正是当年Berek的经典名镜所创造的!











 




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