今天的鏡頭設(shè)計(jì)(或者像光學(xué)設(shè)計(jì)者稱之為光路設(shè)計(jì))似乎是小菜一碟：在鏡頭的資料庫中有成千上萬的設(shè)計(jì)專利的展示，并且有許多是公開發(fā)表的。你似乎可以從大致的設(shè)計(jì)構(gòu)思著手，然后利用高速的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為你的設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到你實(shí)際想要達(dá)到的目標(biāo)。

但問題是，計(jì)算機(jī)能夠生成一個(gè)優(yōu)秀的鏡頭設(shè)計(jì)嗎？當(dāng)然是不可能的。真正的設(shè)計(jì)其實(shí)是源自于人的大腦，就如導(dǎo)航儀器只能在你給它指定明確的目標(biāo)之后才可以幫助你找到正確的航線一樣。商業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)然可以為你優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)，但如果設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)本身是不足的，那么你是很難更正它的。在光學(xué)設(shè)計(jì)部門中目前大量使用了計(jì)算機(jī)，但它也毫不例外地表明了計(jì)算機(jī)及其計(jì)算機(jī)程序本身是無法給你找到全部答 案的。

鏡頭設(shè)計(jì)是極具創(chuàng)造力的工作，它必須基于經(jīng)驗(yàn)和敏銳的洞察力來了解各種各樣光學(xué)象差的特性。

首先讓我們來看一些鏡頭設(shè)計(jì)的基本原理

任何鏡頭，不管是新的還是老的，都可以用“鏡頭描述”這個(gè)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(gè)鏡片的直徑等等。這些都是用來全面描述一個(gè)鏡頭的參數(shù)。當(dāng)發(fā)自于某個(gè)物體的光線穿過玻璃表面時(shí)，該束光線會(huì)被折射，就如我們在中學(xué)物理課本中學(xué)到的物理知識(shí)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(jì)者能知道光線射入鏡頭前鏡片時(shí)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。我們知道任何一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的能量都是散射的，并無任何方向行可言。只有部分能量通過鏡頭，而且設(shè)計(jì)者也假設(shè)通過簡單的數(shù)學(xué)來計(jì)算通過鏡頭的能量(那些被視為一系列的各自獨(dú)立的光線)可以追蹤那些光線的路徑。

鏡頭設(shè)計(jì)者首先從光軸上的某點(diǎn)開始追蹤少量的光線。這里所假設(shè)的是每個(gè)物象點(diǎn)都會(huì)在膠片平面上形成于之相對應(yīng)的點(diǎn)，所以發(fā)自物體的光線都將被轉(zhuǎn)化為這樣的成相點(diǎn)，并且具有同樣的相對位置。這就是高斯成相(Gaussian Fiction)。對應(yīng)那些靠近光軸的點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以有理由相信高斯成象是相當(dāng)精確的，這就是平行光軸光學(xué)(Paraxial Optics) 。盡管計(jì)算公式相當(dāng)簡單(至少對有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者來說)，但要求對于這些數(shù)字的計(jì)算精確到小數(shù)點(diǎn)后5~8位。

在機(jī)械和電子計(jì)算機(jī)到來之前，計(jì)算這些數(shù)值的唯一方法是借助于對數(shù)表。在30年代，每天只能達(dá)到50個(gè)這樣的計(jì)算量。因?yàn)楹苋菀壮鲥e(cuò)，每個(gè)數(shù)字都得核對2次才行，比如說，不要把“7” 看成“9” ，而且還有保證手寫的字體要工整，容易辨認(rèn)。我曾經(jīng)有機(jī)會(huì)看到Leitz早期在Solms的設(shè)計(jì)成果，那些長串的數(shù)字，為了易于識(shí)別和拷貝而認(rèn)真書寫的字體，都表明了當(dāng)時(shí)的工作是何等的辛勞。例如，對于一個(gè)有6片鏡片的鏡頭設(shè)計(jì)，每個(gè)鏡片的表面需要計(jì)算200條光路，整個(gè)鏡頭的計(jì)算量到達(dá)了3000條光路，需要3個(gè)月才能完成全部計(jì)算。很令人吃驚的是當(dāng)時(shí)Leitz的工作和組織方式(直到最近Leitz才第一次透露)。

鏡頭設(shè)計(jì)者對他的設(shè)計(jì)所傾注的浪漫構(gòu)思理所當(dāng)然的是個(gè)迷

在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)主管負(fù)責(zé)一組工作者，其中大部份是女性，她們負(fù)責(zé)大量的計(jì)算工作中非常重要的一部分。設(shè)計(jì)主管指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)，他從手下了解的大量光學(xué)計(jì)算式中獲取結(jié)果，從中決定究竟是繼續(xù)原設(shè)計(jì)還是對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。對于任何重要的攝影光學(xué)而言，平行光軸光學(xué)的計(jì)算是沒有太大用處的。

對于大口徑鏡頭的設(shè)計(jì)而言，由于光線的進(jìn)入量大，因此考慮斜向進(jìn)入鏡頭的光線就非常重要，考慮平行進(jìn)入的光線對于中央?yún)^(qū)域的成象很重要，但對于遠(yuǎn)離象場中央?yún)^(qū)域的成象則不具有多大的意義。斜向進(jìn)入鏡頭的光線可以分為兩部分：垂直的和水平的。經(jīng)過垂直面的稱為切線光線，經(jīng)過水平面的稱為徑向光線。這部分的光路則需要特殊的公式來計(jì)算了。但這些公式極為復(fù)雜和繁瑣，手工計(jì)算幾乎是不可能的。即使對于現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)來說也不是一件容易的事。

因此在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者都力圖避免那些計(jì)算(徑向光線)，或者只進(jìn)行近似計(jì)算，Leitz和Zeiss都是這樣做的。最終的計(jì)算毫無例外的都是折衷的結(jié)果，即有已知因素，也有未知因素。