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光学镜头发展简史
发布时间:2022-01-19    来源:网络   阅读次数:2475 分享到:

进入19世纪后,科学技术发展迅速,很多科学家、工程师的发明相继问世,几何光学的理论已经十分成熟,光学的发展进入到了波动光学时期。人们迫切需要新的成像技术,在此背景下,光学镜头进入高速发展阶段。

大佬镇楼

自1812年新月型镜头的出现,光学镜头已走过了二百多个年头。在这200年间,光学镜头的发展经历了好几个阶段,几个主要阶段和事件。

兴起在欧洲

作为当时的世界中心,欧洲的科学技术发展进入井喷,取得了一系列重大成果,19世纪被称为“科学的世纪”,光学镜头的兴起也是在这里!

光学镜头发展大事件

1) 1812年,英国著名化学家和物理学家威廉·海德·沃拉斯顿为解决双凸透镜的失真问题(此前光学透镜大多用于暗箱),开发了一款新型透镜,该镜头由一片凹面朝前的新月型凸透镜片组成,最大相对孔径仅为f/16。

通过改变透镜的形状,新月型透镜比传统的双凸透镜结构成像更平坦、更清晰。沃拉斯顿将新月型透镜与暗箱互相结合,最终在拍摄后能得到清晰的影像。新月型透镜结构的出现影响了光学镜头一百多年的发展,直到上世纪中叶,仍有不少低价相机镜头仍采用该设计。

2) 1821年,法国著名的镜头制造商谢瓦利埃(Chevrlier)发明了1组2片镜片结构,最大光圈F14的消色差镜头。这种两片一组的消色差镜头可以有效减少镜头的色差及球差,也能保证像场覆盖6.5×8.5英寸(164×216毫米)的整版底片。达盖尔早期的相机就是使用的该镜头。

3) 虽然达盖尔于1839年公布了银版摄像法,但由于当时镜头的光圈都很小,加上当时银版感光乳剂的感光度极低,曝光需要时间太长,所以相机基本只能用来拍摄风景,很难拍人像。

1840年,奥地利数学家匹兹伐教授用数学方法设计出3组4片,最大光圈F3.7的镜头,镜头的设计保证了影像中心的高分辨,很好地矫正了球差和彗差,大光圈也使得拍摄人像变得简便。

4) 由于银版工艺中感光乳剂的感光敏感度低,通常需要几分钟,调整光圈的需求并不强烈,直到1851年火棉胶玻璃湿版技术出现,底片感光速度得到了较大提高,加之户外摄影的蓬勃发展,催生了人们调节镜头光圈的迫切需要。

1858年,英国人约翰·沃特豪森创造了一个简单实用的办法来调整光圈:在镜头筒上锯开一个缝,插入不同孔径的铜制光圈插片调节光圈。

5) 失真问题一直是困扰早期相机的难题,尤其是户外摄影的发展,随着视野的增加,失真越来越严重。

1862年,美国人哈里森和施尼策成功制造出了第一个广角镜头,该镜头由两个围绕中心光圈对称放置的新月形镜头组成,最大视野为 92°。

6) 在拍摄远处物体的时,这就需要用上长焦镜头,它能很好地表现远处景物的细节,拍摄到一些我们不容易接近的拍摄体。当时户外摄影的热门以及军事方面的需求,不少人都在尝试制作长焦镜头。

谁是世界上第一个长焦镜头的发明人已不可考,主流的观点是英国眼镜制造商托马斯·鲁道夫·达尔迈耶以及德国科学家阿道夫·米特,1891年,两人几乎同时制造了长焦镜头,一个拥有英国专利,另一个拥有德国专利。

7) 1893年,英国人丹尼斯·泰勒(H. D. Taylor)设计出3组3片式库克(Cooke triplet)摄影镜头。该镜头前后两片均为凸透镜,用钡冕玻璃制成,中间一片为凹透镜,用火石玻璃制成,光圈位于第一、第二片透镜之间。3组3片式库克镜头是当时能够对全部6种像差进行校正、结构最为简单的摄影镜头。

8) 1892年,丹尼斯·泰勒偶然发现,和普通的透镜相比,烧过的望远镜物镜表面经过风化出现的紫色薄膜能够通过更多的光线。

由于制造工艺的局限,镜片涂层很长时间没有太大的进步,直到1935年,乌克兰物理学家亚历山大·斯马库拉在蔡司工作时发明了一款实用的光学抗反射涂层,广泛用于眼镜和剧院的投影镜头。

19世纪初到二战以前一百多年的时间里,还有很多科学家为光学镜头的发展做出了不可磨灭的贡献。二战可以作为光学镜头发展的一个分水岭。

1893年,英国人丹妮泰勒(H. D. Taylor)设计出3组3片式库克(Cooke triplet)摄影镜头。该镜头前后两片均为凸透镜,用钡冕玻璃制成,中间一片为凹透镜,用火石玻璃制成,光圈位于第一、第二片透镜之间。3组3片式库克镜头是当时能够对全部6种像差进行校正、结构最为简单的摄影镜头。

1896年,德国卡尔?蔡司(Carl Zeiss)公司的鲁道夫(P. Rudolph)设计出4组6片的双高斯摄影镜头,命名为普拉纳(Planar),它属于对称型正光摄影镜头。第一组和第四组为单片凸透镜,第二组和第三组为凹透镜与凸透镜胶合而成,光圈位于第二、第三组之间。双高斯镜头相对孔径较大,成像质量好,成本较高,广泛用于高中档相机上。

1900年,卡尔·奥格斯特·汉斯·哈丁(Carl August Hans Harting)申请了一个镜组结构的专利,就是后来著名的海利亚镜头(Heliar lens)的最初形态。该镜头结构采用对称式设计,有效克服了纵向像差,同时仍能保证使用大光圈。这个镜组能够做到f4.5的光圈,并且覆盖50°的像场。

1902年,哈丁提交了一个改良版的海利亚镜头的专利。该镜头不再采用对称式结构,改善了严重的像散、彗差以及匹兹伐场曲。

1902年,保罗·鲁道夫根据自己设计的四片四组的乌那镜头设计出3组4片式天塞(Tessar)镜头。第一组为一片凸透镜,第二组为一片凹透镜,第三组为凹透镜和凸透镜胶合而成的透镜组,光圈位于第二、第三组之间。与3组3片式库克镜头相比,天塞镜头的球差、色差、像散都得到改善,被广泛应用到普及型相机和放大机上。

到了1903年,他再次更新了Heliar的设计。哈丁这次将中心透镜两侧的双胶合透镜组的摆放方式做了改变,让原本凸透镜面向内侧放置的双胶合透镜变成了凹透镜面向内侧。作为一个新的Heliar镜头,这个新的镜头被贴上了“Dynar”的名字,并作为福伦达镜头销售。

1958年,美国祖玛(Zoomar)公司的创始人弗兰克?拜克博士(Dr. Frank G. Back)为德国的福伦达Bessamatic单反相机设计出Voigtlander-Zoomar 1:2.8 F=36mm~82mm镜头,这是世界上第一款用于照相机的变焦镜头。

1960年,尼康公司在镜头中率先使用了非球面镜片,有效控制了球差。

从 1970 年始,日本宾得率先研发出 SMC 多层镀膜技术;同时,民主德国的卡尔?蔡司?耶拿推出 MC 多层镀膜镜头,随后该技术广泛应用。

1970年代后,能够控制色散的超低色散镜片ED(Extra low Dispersion)以及APO(Apochromatic)技术得到广泛推广。

20 世纪 90 年代,佳能研发出世界第一款带有 IS 防抖功能的内对焦 35mm 相机镜头,佳能EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM。随后尼康(Nikon)、适马(Sigma)、腾龙(TAMRON)纷纷研发出自己的光学防抖技术。

  从 1812 年的新月形相机镜头问世至今,光学镜头已经走过了二百多年的发展史。 19 世纪初,英国物理学家乌拉斯顿发明了新月形镜头,只有一片凹面朝前的新月形凸透镜片是世界上非常早的摄影镜头。从此为始到 20 世纪 60 年代,相继出现双片镜头、三片库克镜头、双高斯镜头、四片天塞镜头、五片海狸亚镜头、六片松纳镜头等。


  在此期间, 1950 年前后,美国的弗兰克拜克博士设计出世界上一款用于照相机的变焦镜头。从 1970 年始,日本宾得率先研发出 SMC 多层镀膜技术;同时,民主德国的卡尔?蔡司?耶拿推出 MC 多层镀膜镜头,随后该技术广泛应用。20 世纪 90 年代,研发出一款带有 IS 防抖功能的内对焦 35mm 相机镜头,随后尼康(Nikon)、适马(Sigma)、腾龙(TAMRON)纷纷研发出自己的光学防抖技术。时至今日,在相机数码化之后,镜头厂商针对数码相机的特性设计了数码镜头,及围绕感光元件的特性进行设计并改进。

  经过百年发展,光学镜头行业已经较为成熟。在世界范围内,发达工业国家的光学镜头制造工艺较为领先,尤其是德国和日本在镜头的研究与制造方面拥有悠久的历史与传统,造就了莱卡(Leica)和卡尔蔡司(CarlZeiss)等光学巨头,其中卡尔蔡司镜头至今仍为世界镜头制造技术的典型代表。

  日本光学镜头产业自二战后飞速发展,凭借更高性能价格比,在全球镜头行业市场逐渐占据优势,其主要生产企业有佳能(Canon)、尼康(Nikon)、富士(Fuji)、奥林巴斯(Olympus)等。

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