廣角鏡頭設計起源很早，而且很多都是對稱或幾乎對稱的設計；前文提過，對稱設計的好處是前段產生的某些像差會被後段自然地降低或抵消，於是設計人可以專心處理其它像差與光學問題。本篇的重點在介紹一些古典而且有名的設計，我們會提到Thomas Sutton的全景鏡頭、Topogon、Metrogon、Biogon、與Hologon。雖然彼此之間沒有嚴格的先後順序，不過建議在看本文之前先把其它各篇瀏覽一次、熟悉一些常用的詞彙，這些文字依次是：從透鏡說起、古典設計、Triplet與Tessar、Ernostar與Sonnar、與Gauss、雙Gauss、Planar、Biotar等等。
 
 
Sutton Panoramic與早期廣角鏡頭
 
            根據文獻記載，在1859年就有了可以涵蓋120度左右（約略是135片幅的13mm）的全景鏡頭，這是由英國人Thomas Sutton（1819-1875）設計的，叫做Sutton Panoramic鏡頭。它相當於在玻璃球內挖掉一個小玻璃球後的殼，中間還灌了水，在兩片玻璃之間有個光圈片（見下圖）。這個鏡頭邊緣失光相當嚴重，所以能用的部份大約只有120度左右的視角，又因為沒有校正球面像差與色散，光圈只能是很小的f/30。Sutton Panoramic鏡頭還有一個缺點，它拍到的影像是在與鏡頭有相同球心的球面上、而不是濕版的平面（那時乾版與底片還沒有出現），所以使用上相當不便。如果您想看看這台Suttpn Panoramic相機、鏡頭、彎成近球面的玻璃（濕）版、與拍得的照片，請看Christie’s拍賣的這些記錄，相機加鏡頭值$63,000+美元！

 


 
 
            十九世紀後半段有不少對稱設計的廣角鏡頭。繼Sutton Panoramic之後有1860年紐約的C. C. Harrison與J. Schnitzer公司生產的Globe鏡頭（見下左），它也是個對稱設計，每一半都是雙合透鏡，在外是凸新月形、在內是凹新月形，視角約80度（約略是135片幅的24mm），光圈為f/30。接著是1865年由Emil Busch（1820-1888）設計的Pantoskop，它的效果比Globe好些，視角也是80度，光圈為f/25。Pantoskop與Globe類似，但透鏡的彎曲程度比Globe的高很多，它們都是四片二群（4E/2G、2-2）的兩組對稱凸雙合透鏡設計（見下中）。同年（1865），C. A. Steinheil（1801-1870）發表了兩片兩群（2E/2G、1-1）的Periskop設計，涵蓋視角不詳，光圈為f/15；不過這個鏡頭並沒有校正球面像差與色散，在市場上不如Globe成功。

 


 
 
 
Hypergon
 
            上面提到的廣角鏡頭除了像差與色散之外還有一個重要問題：成像不平坦。最先克服平坦像場（flat field）難題的是德國Goerz公司（C. P. Goerz Berlin，在柏林的Goerz於1926年併入Zeiss Ikon）的Emil Von Höegh，他在1900年設計了極為有名的Hypergon（見下圖）。這個鏡頭是對稱的兩片兩群（2E/2G、1-1）設計，每一片都是彎曲度極高的凸新月形透鏡，而且兩個球面的半徑幾乎相等、當然透鏡就相當薄；美國專利資料指出兩個球的半徑是8.47mm與8.51mm，最厚部份為2.206mm，鏡頭週圍的直徑是13.5922mm。Hypergon的視角約130度（約略是135片幅的12mm），最大光圈為f/22，但收小到另一個光圈f/31時可以加大到140度並且降低色散，這在當時是視角最廣、具有平坦像場而且幾乎沒有變形的（大片幅10′12）廣角鏡頭。Hypergon的兩片透鏡設計無法完全校正球面像差與色散，不過在如此短的焦距（比如150mm）與那麼小的光圈下拍黑白底片，這兩者並不是大問題。

 


 
 
            但是Hypergon與其它廣角鏡頭一樣，畫面邊緣會嚴重失光，使整個畫面亮度極不均勻，所以鏡頭附了一個連在鏡筒上的花瓣形蓋子，在曝光時這個蓋子擋在鏡頭中央部位，當曝光時間進行到80%左右時用一個吹氣球（古時候的快門線）把蓋子向旁邊擺開，讓中央部份曝光。下面的照片是Clive Russ先生提供的，第一張是Hypergon的正面，焦距是150mm，正右方的小桿用來選兩個光圈之一，中央可以看到花瓣形的罩子、它與鏡頭的邊緣相連，左邊是吹氣球管子的接頭。第二張照片是花瓣形罩子移開的樣子，我們可以看到球狀突起的鏡頭。

 



 


 
 
Topogon與Metrogon
 
            兩片兩群的簡單設計固然有它的好處（比如低變形），但卻少了修正色散與其它像差的機會，因此光學工程師自然地會回到多透鏡的設計。對稱雙Gauss設計到了1930年代初期已經建立了它的地位（見Gauss、雙Gauss、Planar、Biotar等等），於是Carl Zeiss的Robert Richter在1933年用對稱雙Gauss方式設計了Topogon（見下左圖）。Topogon兩側是兩片很厚的凸新月形透鏡，中間是兩片很薄的凹新月形透鏡，一凸一凹正好是Gauss設計，兩者以對稱方式排列，光學結構是四片四群（4E/4G、1-1-1-1）。Topogon的視角為90度（約略是135片幅的22mm），光圈是f/6.3，在1930年代是空照相機的標準配備。Zeiss Ikon在1932年推出Contax RF機型後，也把Topogon修改成135底片相機版，二次大戰前Carl Zeiss生產過Hypergon 25mm f/8與Topogon 25mm f/4，但產量很低（或許根本沒有量產）。戰後東西德Carl Zeiss都只生產Topogon 25mm f/4，不過西德Carl Zeiss在1950年代用Biogon取代Topogon（見下文），而東德Carl Zeiss Jena轉而研發Contax S與其它SLR用的鏡頭，也差不多在1950年代用Flektogon取代了Topogon，所以Topogon在二手市場上並不多見。

 


 
 
            雖然Topogon在相機鏡頭市場上不多見，但在空照相機領域卻十分成功，從1933年起Carl Zeiss與美國都生產了為數不少空照用的Topogon。Zeiss生產的當然叫做Topogon，而美國方面則主要是由Bausch & Lomb為軍方生產，先是與Topogon相同的（4E/4G ，1-1-1-1）的版本，後來又生產了稍許修飾過的（5E/5G ，1-1-1-1-1）版本，兩者都叫做Metrogon；據稱Fuji也生產了不少後期的Metrogon。上右圖是Metrogon的110mm版的結構（5E/5G，1-1-1-1-1）。
 
            Metrogon的視角與Topogon一樣是90度，6英寸焦距f/6.5版可以涵蓋9′9英寸的大型空照用底片，12英寸焦距版更可以涵蓋9′18英寸底片。與Topogon相同的是，Metrogon也有嚴重的邊緣失光，需要用特殊（中央比邊緣深）的漸層減光鏡來平衡中央與邊緣的亮度。Metrogon從二次大戰起一直用到韓戰甚至越戰初期，大部份是裝在美國空軍的K-17空照相機上，進行偵察測量任務，透過使用三台K-17加Metrogon的空照相機，重疊後的影像涵蓋角度可以高達194度。
 
            下左照片是6英寸Metrogon的前半部，下右則是深陷的透鏡反面：

 


 
            下面兩張是後期12英寸焦距的Metrogon，前方加了用來平衡中央與邊緣透光用的黄綠色漸層濾鏡，後方的部份可以看到突出來的半球面透鏡。

 



 


 
            大多數Metrogon沒有光圈與快門（有些有光圈葉片），很多大相機玩家把Metrogon加上一個鏡間葉片快門使用，以往S. K. Grimes先生有改裝的服務，但近年己經停止了。下面是Clive Russ先生提供改裝過、加上鏡間快門的6英寸Metrogon照片，第一張是前方、第二張是後方，從第二張照片可以看到光圈葉片。另外，Clive Russ先生指出，他的Metrogon不是由S. K. Grimes先生改裝的。

 



 


 
 
 
Biogon各型
 
            前面提到的廣角鏡頭基本上是為大片幅機型生產，但是1920年代與1930年代初期小片幅機型興起（主要是Leica與Contax），廣角鏡頭設計另有一片天地。Carl Zeiss的Ludwig Bertele在1934年把Sonnar的設計稍做修飾得到一個35mm f/2.7的廣角鏡頭（Contax RF機型用），他的做法是把Sonnar 50mm f/1.5前段的凸透鏡與接下來的三合透鏡縮小，再把後方各透鏡加大，成為七片四群（7E/4G、1-3-2-1）的結構（見下左圖），Bertele把這個鏡頭叫做Biogon，它在1936年前後上市，但與戰後知名的Biogon設計完全不同。

 


 
 
            Ludwig Bertele在1944年為Wild公司（在瑞士的Heerbrugg）設計了一個叫做Aviotar的空照鏡頭（見上右圖），Aviotar與1934年的Biogon非常相像，差異是原來在前方的三合透鏡改成雙合透鏡，接下來的雙合透鏡變成三合透鏡，並且原本在最後的凹新月形透鏡也改成一個凹新月形三合透鏡，所以鏡頭的組成是九片四群（9E/4G、1-2-3-3）。這個鏡頭的視角是60度（約略是135片幅的28mm），光圈為f/4.2，而且變形程度低到可以忽略。
 
            我們目前熟悉的Biogon是個完全不同、而且也是二次大戰後最重要的新設計。大戰結束後，俄國光學專家M. M. Roosinov在1946年建議把兩個倒裝望遠鏡頭的設計背對背接在一起，形成一個大致上對稱的結構（見下左圖），於是得到一個新的廣角鏡頭設計。倒裝望遠設計指的是鏡頭前方有一個職司發散的凹透鏡組，後面跟著一個小而緊湊的成像用凸透鏡組，因為兩組倒裝望遠透鏡背對背相接，所以鏡頭前後方都有相當凸出的透鏡，在大多數情況下是凹新月形透鏡；這種（Roosinov的）設計可以讓視角大到66度時中心與邊緣的亮度仍然相差不大。

 


 
 
            Ludwig Bertele在1952年再度為Wild公司設計空照鏡頭時就用了Roosinov的原理，他把這個鏡頭叫做Aviogon（見上右圖）。Aviogon的焦距是115mm，最大光圈為f/4.5，可以涵蓋18′18cm的片幅，而且影像變形控制在0.01mm以下。Aviogon是十片六群（10E/6G、1-1-3-3-1-1）的架構，兩組透鏡差不多以光圈部份對稱。因為它優異的光學特性，Aviogon很快就取代了Topogon與Metrogon成為空照的標準配備。
 
            Carl Zeiss在二次大戰後再度生產Contax RF機型，但因為原來Dresden廠房在戰爭中被炸毀、而且Dresden又在東德境內（請看這篇文章的說明），因而西德Zeiss Ikon幾乎得從頭做起，當然也想推出一系列比戰前更好、更先進的產品，所以要求Bertele設計一個超廣角鏡頭。Bertele的做法是把Aviogon簡化成下左圖的樣子，仍然叫做Biogon，不過與戰前的樣子大不相同。與Aviogon相比，新的Biogon中原來在前段的三合透鏡簡化成雙合透鏡，後段的兩片凹新月形透鏡也簡化成較厚的一片，所以這是個八片五群（8E/5G、1-1-2-3-1）的設計。

 


 
 
            Carl Zeiss為Contax RF機型生產了兩個Biogon，分別是21mm f/4.5（見上右的廣告）與35mm f/2.8，後來也為Contarex （SLR）生產了21mm f/4.5，不過Contarex的反光鏡片必須先彈起來鎖住後才能裝鏡頭。因為Biogon的鏡後距（從鏡頭最後一片透鏡到底片平面的距離）很短，Distagon出現後Contarex的Biogon就停產了。此外，Carl Zeiss也為Leica M機型生產過少量的21mm f/4.5。目前Biogon是Carl Zeiss非SLR機型廣角鏡頭的主力，從大型4′5相機（應該已停產多年）、到中型6′6與135底片機型（譬如Contax G與Leica M）都會看到Biogon；以135底片機型而言，焦距在21mm到35mm之間，4′5機型則是75mm。
 
            Ludwig Bertele為他的Biogon申請了專利，其中有前後各三片凹新月形透鏡、視角高達120度的版本，但不包含前後各一片凹新月形透鏡的型式（因為Roosinov已經討論過這樣的設計），所以其它廠家可以採用。正因為如此，Schneider的Super Angulon（含大型機與Leica版）、Rodenstock的Grandagon（大型機）、與Nikon的Nikkor SW系列（大型機）鏡頭才能上市。下圖自左而右是Nikon Nikkor SW f/4（7E/4G、1-3-2-1）、Rodenstock Grandagon f/4.5（8E/4G、1-4-4-1）與Schneider Super Angulon f/5.6（8E/4G、1-3-3-1）的光學結構圖；Nikon版比較特別的是中央部份，它用凸-凹-凸的三合透鏡，但Rodenstock、Schneider與Carl Zeiss都用凹-凸-凹的方式：

 


 
 
            Carl Zeiss與Nikon都為SLR生產過Biogon類型的鏡頭，兩者都是從RF版改來。首先是Carl Zeiss在1958年推出Contarex版Biogon 21mm f/4.5，它是個八片五群（8E/5G、1-1-2-3-1）的Biogon標準設計，見下左圖；次年（1959）Nikon也發表了RF版與SLR版的Nikkor-O 2.1cm f/4，光學結構是八片四群（8E/4G，1-3-3-1），見下右圖。這兩個鏡頭在使用時得彈起並且鎖住反光鏡、而且用外掛觀景窗取景構圖。

 


 
 
            請注意，Nikkor-O 2.1cm f/4只能在Nikon F與F2上使用；Nikon在1965年12月把接環稍做修改，於是從序列號碼225001起的Nikkor-O 2.1cm f/4才能在Nikkormat機型上使用。但是，千萬不要把這個鏡頭裝在其它Nikon SLR機身上，因為鏡頭尾端會損壞反光鏡，所以要玩這個鏡頭的朋友最好多投資買一台Nikon F或F2機身，並且加一個21mm的外掛觀景窗。下面的照片是Nikkor-O 2.1cm f/4鏡頭、把它裝上Nikon F2AS機身、以及打開快門簾幕後鏡頭最後一片透鏡的位置：

 



 



 


 
            Biogon的設計也在空照的領域使用。下面是由美國Pacific Optical公司在1960年代末生產、叫做Paxar B的軍用偵察Biogon類鏡頭（見下圖），光學結構是十片五群（10E/5G，1-1-3-3-2），焦距是3英寸（76mm）、光圈f/4.5、視角90度、涵蓋範圍4.5′4.5英寸（約11.4′11.4公分）、鏡筒長8.068英寸（20.5公分）、重8.5磅（近3.9公斤），但鏡後距（最後一片鏡片到底片平面距離）只有0.65英寸（約1.65公分）。

 


 
 
            下面是Paxar B的前方與後方的照片，第二張中有一片CF卡讓您比較鏡頭的大小，鏡頭中央部份的空隙是裝光圈與快門用的。第三張照片中較小的是Rodenstock為Graflex公司生產的Grandagon 58mm f/5.6，涵蓋範圍是6′7公分，它與Paxar B相比根本就是小巫見大巫。

 



 



 


 
 
Hologon
 
            Sutton在1859年設計的球形鏡頭到1942年被在波士頓的J. G. Baker往前推進了一步，他用兩個同心的半球透鏡、加上兩個同心的半球殼透鏡設計了一個球形鏡頭（見下左圖），中央是光圈孔，但成像仍然在同心、半徑為該鏡頭焦距的球面上（圖中右邊的虛線）。Baker這個鏡頭的光圈高達f/3.5，不過它似乎只有專利而沒有生產。下一個球形鏡頭的里程碑是Carl Zeiss在1966年發表的Hologon，在概念上Carl Zeiss把Sutton與Baker球形鏡頭的中央部份換成另一個球，得到三片三群（3E/3G、1-1-1）的凹-凸-凹Triplet設計。Harold Dennis Taylor，Triplet的設計人（見相機鏡頭：古典設計、Triplet與Tessar的介紹），在說明Triplet設計時指出，如果把兩片倍率相同的凸與凹透鏡黏在一起而成為一個雙合透鏡，兩者會相互抵消而得到一個倍率為零的透鏡（但它的Petzval和也為零）；若把這兩片透鏡分離少許，就會有正的倍率，而且Petzval和不會改變（下右第一個圖），但鏡頭因為高度不對稱而引入各種像差。為了修正像差，Taylor建議把兩個透鏡之一分成兩片隔著放置；譬如說，把凸透鏡分成兩片、再隔著凹透鏡放置得到凸-凹-凸的Triplet（下右中），或把凹透鏡分成兩片、再隔著凸透鏡放置得到凹-凸-凹（下右右），但是Taylor選擇了前者（凸-凹-凸）設計了知名的Triplet而不是後者。

 


 
 
            Hologon從一開始就是為36′24mm的135相機設計的，它最早的型式是15mm f/8、視角110度、變型極低、光學結構是三片三群（3E/3G、1-1-1），見下左圖。不過Hologon邊緣失光十分嚴重，得要加中央深邊緣淺的漸層減光濾鏡平衡通光量，又因為光學結構（中央一個實心球形透鏡）不容許裝光圈，Hologon只有一個f/8光圈可用；另外，因為最後一片透鏡太靠近底片平面而且鏡筒很短，Hologon也無法在SLR上使用。

 


 
 
            Carl Zeiss先是把Hologon裝在一台從Contarex變化而來的Hologon Ultrawide機身上、當成一台不能換鏡頭的超廣角相機使用（生產年份是1969到1975），1972年Carl Zeiss也為Leica生產了少量的M-mount Hologon 15mm f/8。因為產量少，Hologon Ultrawide相機與Leica版Hologon 15mm f/8在二手市場上不很常見，價格十分高、而且有時高得到離譜。
 
            Hologon的光學結構可以看成是球形透鏡的變型，球心部份不是實心、而是換成一個像球一般、而且與前後兩片透鏡分離的凸透鏡，但Hologon與球形透鏡最大的不同就是影像是在平面、而不是在球面上。另一方面，因為Hologon 15mm f/8的透鏡組成是凹-凸-凹的方式，它也可以視為Triplet的一個極端變型；不但如此，我們更可以把中央的凸透鏡看成是兩個凸透鏡接在一起，左右兩側各有一個凹新月型透鏡，因此在原理上Hologon也可以看做是Biogon的變型。
 
            從Contarex之後，Zeiss Ikon在相機業的龍頭地位逐漸被日系廠商取代，再加上Hologon不適合在SLR上使用，於是在SLR當道下Hologon在市場上消失。Kyocera/Yashica在1994年推出Contax G1後hOLOGON有了新舞台，不過給Contax G1用的Hologon是16mm f/8，光學結構改成五片三群（5E/3G、2-2-1），見右上圖。
 
            下面是Clive Russ先生提供、Contax G1/G2用的Hologon 16mm f/8照片。第一張左邊是鏡頭、右邊是4X漸層減光濾鏡，第二張是把鏡頭與觀景窗裝上Contax G2的樣子，第三張是加上了4X漸層減光濾鏡。

 



 



 


 
            為Contax G1/G2生產的Hologon 16mm f/8也許是最後的一批Hologon鏡頭，因為隨著倒裝望遠式廣角鏡頭設計日漸成熟、以及對較大光圈的需求，目前各廠商都不再採用對稱式或Hologon式設計廣角鏡頭，縱使是還在生產RF機型的廠家也都改用倒裝望遠式設計，連Carl Zeiss本身的ZM系列15mm f/2.8也使用Distagon倒裝望遠式。
 
 
後記
 
            本篇介紹的是從1859年Sutton全景鏡頭起到1966年Carl Zeiss Hologon等的對稱（或近乎對稱）廣角鏡頭，因為它們的鏡後距很短，在SLR/DSLR上的用處不大；縱使是可以裝上SLR機身，反光鏡也得彈起而且鎖住，再用外掛觀景窗取景構圖，使用上是很麻煩的，因此這些幾乎都是RF機型的產品。另外，本文介紹的二十世紀鏡頭中，除了Hyergon與Hologon之外都有顯著的軍事用途，或是原先就是為空中偵照設計、然後再改成一般用途，所以常會看到軍用鏡頭就不足為奇。好了，這一篇實在夠長、就到此打住，下一篇打算談望遠鏡頭。
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最古老的广角镜头—海普冈结构及其系列镜头

海普冈镜头说起来除玩古董镜头的人，估计很少有人知道了，海普冈是典型的超广角镜头，结构非常简单，仅有两片两组，由两片曲率非常大的鼓型镜片，因为仅有两枚镜片，所以不能校正球差和色差，为了尽量避免球差，这类镜头的最大光圈都非常小，一般多在20-30左右，缩小小光圈可以有效地减小球差提高分辨率，由于是超广角镜头色差的影响并不明显，这类结构的最大优点是视角非常的大，最大可以达到130度，而且畸变很小，Zeiss Series V Protar就是属于这个结构，基本视角可达110度以上，目前具有可用价值的应该还是有的，因为这个结构的两片鼓型镜片曲率非常大，加工异常困难，而且其表面精度和材质对光学水平的影响非常大，而且这种结构依靠两个镜片间的间距来控制像散，镜筒的材料也是非常考究的，1901年菜斯的Zeiss Series V Protarr尽管有多家公司依据专利生产，但其价格一直属于天价。

这个结构由于不能校正球差和色差，因此成像的反差不是太高，分辨率也很一般，不过这个结构依靠缩小光圈来减小球差，在很小的光圈下，成像的反差还是非常不错的，整体画面的均匀性也异常好，作为爷爷辈就停产了的家伙，到目前为止保存完好的应该很少了，正因为这个结构独特的要求极高的加工精度和装配精度，即便是到今天他还是可以用的，一般而言，这类的镜头在设计的时候没有考虑彩色摄影的需要，多少都有一点偏色，不过由于这个结构没有胶合镜片，反而在悠久的岁月中更容易保留自身稳定的质量，对于黑白，较低的反差有一种浓厚的怀旧情绪，并且无损于其对色调过渡的能力，这镜头的个性需要适配喜欢他的人。

也许你会问，这样的镜头既难寻找也很贵，哪还有什么存在的意义，呵呵，对于一般拍摄45，810的朋友，介绍这个镜头或许是浪费表情，但对于11x14，12x20或者更大画幅的朋友，很有可能会发现自己没有什么可以选择的广角镜头，Zeiss Protar算是一个不错的方案了，如同它诞生的年代，这支镜头对于这些不需要放大的画幅是非常合适的，由于不需要放大，因为无法校正球差而分辨率较弱的镜头能提供在印相纸上远远超过人眼极限的清晰度，超大画幅拍摄所采用的极小的光圈进一步避免了他结构上球差的缺陷。


Goerz/Zeiss Hypergon6in/150mm这一只镜头我一直没能见到过，甚至在光学籍典中也没能看到过照片，这支镜头以区区150mm焦距提供了140度的视角，可以轻松覆盖20x24这样的巨无霸，甚至还有一点点空间可以移轴，以后有谁能亲眼得见这样的珍品，一定要拍照张照片给我，以解宿愿。


生产过这个镜头的公司很多比如B&L博士伦，据我所知应该是以它的产量最大，质量也应该是最一般的，比如博士伦会把结构和材料使用较差的命名为B&L Series IV Protars ，视角只做到90度，而B&L Series V Protars视角就做到100度，英国的ross和法国的卡伊斯过于稀有，估计质量和博士伦差不多，有老头专家也称这两家的更好，究竟是从稀有这个角度来说还是从实用来说也没有仔细询问。需要注意的是只有Zeiss Series V Protar才达到了110度视角，而后的Zeiss Series VII Protar同样是90度视角的镜头。






版主:黑白大师于2014_04_07 8:05:05编辑