Vol. 11 金屬機械相機 (二) - 鏡玉 @ Adagio 華順文化

ADAGIO 華順文化微雜誌第十一期

金屬機械相機 (二) - 鏡玉

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前言

光學鏡頭的良莠本身就是一個充滿爭議的話題，很難面面俱地照顧到每一種觀點，所以本文的內容純粹只是眾看法之一，絕對不是鐵板一塊，讀者就當是閱讀一般的科普文章，看完會心一笑就好。

這一百多年來，科學家在光學鏡頭方面的技術精進一直在朝兩個目標方向邁進，(1)照片看起來感覺很清楚、很舒服，從中間到四個角落的畫質都很清楚，(2)亮度提升，好讓使用者在低亮度的環境中使用，不至於因為快門太慢而造成照片模糊...。1970年代以前的鏡頭一直在朝單純提升解析度(Resolution)的方向努力，但當鏡頭的能力逐漸變好後，科學家對於鏡頭的設計也有了新的想法，慢慢地改朝同時兼顧解析度與反差(Contrast)的方向努力。

解析度是一種生理視覺，而反差則是心理視覺。當解析度達到一個境界後，繼續提高解析度並不會讓人眼感覺看得更清楚，這時候提高反差，反而有助於提高人看得更清楚的心理視覺。另外，玻璃與薄膜的選用可以讓照片偏向暖色調(紅黃)？或是冷色調(藍綠)？..，換言之，現代鏡頭的設計不是單方面只考慮解析度而已，而是思考如何設計出氣紛好的鏡頭。其實只有高倍率印刷或是半導體製程才會考慮絕對的高解析度。

玻璃

玻璃，是如此神秘像人的情緒，它晶瑩剔透且屈折光線，易碎卻鋒利如刃，至今仍是地球上駕馭光線的最佳材料，著實因為它透明、低膨脹係數，而且物性穩定。這種神秘透明石頭從古代人手中把玩的寶石進步到成為近代的光學鏡頭，這中間跌跌撞撞走了將近一千年。東亞文明對於玉石有種無法自拔的迷戀，日本甚至於稱透鏡為「鏡玉」，而這些鍍有絢爛彩衣的透鏡也確實如同寶石般令人著迷。

鍍有絢爛彩衣的透鏡也確實如同寶石般令人著迷

人眼看得見的光稱為可見光，可見光的波長比頭髮直徑還要小一百倍，這代表我們若要加工光學鏡頭，機械的精密度必須非常高。以目前的工藝極限，對玻璃進行切削或是模造(model)的精度大概只能到達10微米(mm，10^-6m)左右，但是透鏡的曲率精度必須至少到達50奈米(nm，10^-9m)，這也是為什麼幾百年來，玻璃透鏡的製造仍維持研磨與拋光的原因。最近這20年很流行的玻璃模造非球面鏡，其拔模後還是得再透過最後一道的細研磨才能達到真正光學的精度要求。

蔡司玻璃模造非球面鏡

手機的進步大概以3年為一個世代，但是光學鏡頭的進步至少是以20年為一個世代，原因在於光學玻璃的進步實在很緩慢。人類一直在追逐一種完美的夢幻玻璃，這種玻璃的折射率n_D最好至少2.0以上，色散必須極微輕微，V_d最好不要低於90。阿貝指數V_d越大代表色散越輕微，指數越小代表色散越嚴重。使用高折射率的玻璃來製作透鏡，好處多多，其中透鏡的球面像差、散光像差及彗型像差會自動被抑制在很輕微的狀況下。同理，使用低色散材料來製作透鏡，色像差也會自動地被抑制在很輕微的範圍內。如果地球上找得到這種夢幻玻璃，那麼使用這種夢幻玻璃所製作的透鏡，必然可以達到，解析度很高，顏色很準，光圈很大....的效果。

但很遺憾，地球上目前仍沒有開發出這款夢幻玻璃...。距今一百年前，天然螢石因為色散極微輕微(V_d大約90)而受到矚目，但其折射率n_D卻很低大概只有1.4，這幾乎做不了什麼事，而且膨脹係數大，質地軟容易刮傷。火石玻璃(Flint)的折射率n_D雖然可以高達1.7，但是色散卻很嚴重 (V_d大約30)，一樣一事無成。

人類有超過六百年的時間，用來製作透鏡或眼鏡的玻璃只有一款冕牌玻璃(Crown)可用，這種玻璃其實與用來製作窗戶或是酒瓶的玻璃沒有什麼兩樣。一直到1675年英國人發明了含鉛的火石玻璃後，因火石玻璃的色散值明顯與冕牌玻璃差異甚大，人類才終於有了第二種光學玻璃可以選擇。在那個大航海的時代，科學家使用一片冕牌玻璃製作的雙凸透鏡，結合一片使用火石玻璃製作的雙凹透鏡，可以巧妙消除玻璃的一階色散，讓虎克船長可以透過望遠鏡看得更遠。

古代歐洲作為窗戶用的冕牌玻璃

近代光學玻璃的研究始於英國與法國，但是一直到德國蔡司集團的蕭特玻璃(Schott)成立後才有比較明顯的進展。1886年蕭特公司大概可以提供40款光學玻璃，其中冕牌(Crown)玻璃的折射率n_D大約1.5 ~ 1.63，代表色散的阿貝指數V_d約55 ~ 70。火石(Flint)玻璃的折射率n_D大概1.5 ~ 1.7，阿貝指數V_d約30 ~ 55。這時期的火石玻璃雖然折射率提高，但是色散卻很嚴重，所以限制了鏡頭的發展。

從1886年到1930年，光學廠用這些現有的光學玻璃所設計的著名鏡頭，例如Zeiss Tessar f4.5，Voigtlander Skopar f4.5，Voigtlander Heliar f4.5...。1930年代光學玻璃略有進展，開始出現Zeiss Sonnar f1.5，Biotar f2.0。但是真正大幅明顯突破則是二戰前，美國柯達嘗試在玻璃中加入放射性元素，這使得光學玻璃不但可以提高折射率，而且色散卻不至於惡化得太嚴重，這就是後來著名的含鑭玻璃，也被稱為低色散玻璃(Low dispersion glass)。二戰結束後，低色散玻璃被大量使用，折射率一路從1.6進步到1.9，所以從 1950年代要1990年代，整整四十年，傑出的鏡頭紛紛出爐，例如Planar f2.0，Planar f1.4，Summilux f1.4，甚至於Noctilux f1.2。其中對於高折射率且低色散玻璃研究最熱中、也貢獻最大的公司非徠卡莫屬。

Carl Zeiss Planar 50mm/f2.0 (Contarex, 低色散玻璃折射率1.69，1958年)

Carl Zeiss Planar 55mm/f1.4 (Contarex，低色散玻璃折射率1.78，1961年)

Leica Noctilux-M 50mm/f1.2 (M-mount，低色散玻璃折射率1.9，1966年)

Leica Summilux-R 50mm/f1.4 (R-mount，低色散玻璃折射率1.82，1967年)

Carl Zeiss Planar 50mm/f1.4 (Rollei QBM mount，低色散玻璃折射率1.79，1972年)

光學玻璃被要求必須是單一折射率，而且折射率不能有指向性，所以例如雲母或石英晶體這種多折射率，具有指向性的材料，雖然折射率高達2.2，但卻無法被用來製作鏡頭。低色散玻璃要從折射率1.6進步到1.9，過程其實非常艱辛，以折射率1.9的玻璃為例，這種特殊款的玻璃在退火的過程中很容易發生結晶現象，這會導致多折射率的產生，所以提煉一大鍋的特殊玻璃，最後可能只剩中間一小部分可以使用。最便宜的光學玻璃BK7每公斤價格可能是窗戶玻璃的十幾倍，但是折射率1.9的低色散玻璃每公斤要價高達美金600元以上，這幾乎是窗戶玻璃的千倍價格。

雙折射率晶體因為有兩個折射率，這會造成影像分裂，不適合作為鏡頭的材料

現在配眼鏡，使用玻璃鏡片的人越來越少，但事實上，樹脂鏡片的材質會隨時間累積而改變，一般而言以不超過5年為佳。但是光學玻璃的物性很穩定，穩定30 ~ 50年絕對沒有問題。對於近視患者，玻璃鏡片有1.55、1.6、1.7甚至於1.8四種不同折射率的玻璃毛胚可以選擇，對於高度近視患者，我們會鼓勵花比較高的預算來選擇折射率1.7甚至於折射率1.8的玻璃，因為使用高折射率玻璃製作眼鏡，不但眼鏡厚度可以大幅降低，球面像差也可以大幅降低，如果再搭配非球面鏡片，則眼睛可舒服看清楚的範圍就會明顯擴大。

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玻璃高折射率好處多多，鏡片可以較薄，而且像差較小

二戰後共產陣營與資本陣營間的冷戰，尤其是1947年的柏林危機讓徠茲二世憂心忡忡，徠茲二世的光學事業曾經因第二次世界大戰而蒙受重大損失，這樣的經驗讓徠茲二世決定分散風險。1952年家族會議後敲定在加拿大的美德蘭市(Midland)成立徠卡加拿大廠。當時北美的市場佔了徠卡公司75%的營業額，為了靠近最大市場，並且考量到北美發生戰爭的機率相對低，所以最後選定加拿大。徠卡公司很快地在加拿大廠建立起光學設計能力與特殊玻璃研究實驗室，這都得歸功於Walter Mandler這位來自威茲拉鎮的德國人，這個實驗室創造了不少特殊款玻璃，其中折射率1.9的低色散玻璃至今仍是攝影鏡頭的紀錄保持者。Walter Mandler是徠卡公司戰後對公司影響最深的科學家，徠卡1970年代後具醍醐味的鏡頭幾乎都是出自Walter Mandler之手。

徠卡特殊玻璃實驗室，提煉特殊玻璃，加拿大

1970年代徠卡設計很多具醍醐味的鏡頭都是出自這位來自德國的科學家Walter Mandler (中間)之手

1972年徠卡公司決定與日本美樂達 (Minolta)合作，徠卡公司需要日本美樂達的電子技術，而美樂達也需要徠卡的光學技術。為此，美樂達幫徠卡公司生產及設計了數款電子相機包括Leica CL, R3, R4及R5。1972年徠卡公司的研究團隊成功發明了自動對焦系統，並提出自動對焦專利US Patent 3529528(1970年)、3781110 (1973年)、3953863(1976年)，但是徠卡公司並沒有意識到這個發明的價值。重點是，萊卡公司為什麼當年不看好自動對焦技術？

目前市場上平價的數位單眼DSLR相機，通常配備類似 18mm/f3.6-55mm/f5.6的平價款變焦鏡，作為基本組套件來販售，這種平價變焦鏡大量使用塑膠鏡片，甚至於塑膠鏡身，鏡頭拿起來晃動可以聽到機械碰撞的聲響。這類平價變焦鏡的光學質數非常平庸，一顆1970年代做工精良的定焦鏡，可以輕易完勝今日這類平價塑膠變焦鏡。一個光學鏡頭的良莠，玻璃鏡片佔一半因素，承載鏡片的精密機械佔另一半因素。要讓鏡頭可以容易、快速自動對焦，必須妥協鏡身機械上的部分精密度，這也是為什麼徠卡與蔡司延遲了將近30年才接受自動對焦的概念。

一支好的鏡頭光學鏡片佔一半，承載鏡片的精密機械佔一半

平價塑膠變焦鏡，質素不是很優

從1990年代到現在，光學鏡頭的進步主要集中在玻璃模造非球面鏡，及異偏色散(Anomalous partial dispersion)玻璃的使用。選用玻璃軟化點大概550℃左右的光學玻璃，來製作模造非球面鏡，這樣的工法所生產的非球面鏡，不論是價格競爭力還是光學品質，都比以往好上許多。另外，使用異偏色散玻璃，可以對第二階色散光譜進行更好的校正，雖然尚未達到APO的效果但其實也很接近了。從1960年代到1990年代，市場上雖然已經誕生很多f1.4的大光圈鏡頭，但平心而論這些大光圈鏡頭是為了讓單眼反光相機在低亮度的惡劣環境下仍可順利對焦，真正於f1.4光圈全開的情況下使用，照片的質素其實通常不很理想。但是現在這些使用非球面鏡與異偏色散玻璃的鏡頭，光學質素明顯提升不少，尤其是在f1.4或f2.0光圈全開的情況下使用。

使用異偏色散玻璃的現代款鏡頭(左圖)，Carl Zeiss Makro Planar 100 mm/f2.0，效果提升很多(右與下圖)

因俗稱微單的無反光鏡數位相機問世後，很多以往可能沒有辦法再使用的老鏡頭，透過轉接環的使用又獲得重生。但是期待老鏡頭的光學質素優於做工精良、使用先進玻璃的現代款鏡頭，使用者可能不免會有一些小失落，畢竟科學還是持續在進步。老鏡頭有其特殊的歷史意義，這些質素優良的老鏡頭可能是人類在某個時間點的光學工藝極限、里程碑，它可以反應當下的時代氛圍，例如若您想感受1960年代越戰時期的嬉皮風，當然使用1960年代的鏡頭才最原汁原味不是嗎？

超過40年的老鏡頭，典型徠卡醍醐味，Summicron-R 50mm f2.0 (E55) (摘自攝影家手札，Nikonguy)

人工螢石

天然螢石(Fluorite)的成分是氟化鈣，一塊純度高到可以做透鏡的天然螢石其直徑通常不會超過1.5 cm，而且非常稀少。一百多年前天然螢石曾經短暫而且少量地被用來製作顯微鏡，但沒紀錄顯示天然螢石曾被用在照相機鏡頭上。光學玻璃的材料是以矽元素為基底，約佔材料的60 ~ 70%，然後再添加鋇(Barium)、鑭(Lanthanum)或是釷(Thorium)等添加物，尤其是添加鑭的玻璃，不但可以提高折射率而且色散也不會惡化得太嚴重，因此被稱為低色散玻璃。這些攝影發燒友口中所指的『螢石』其實是這種含鑭玻璃，而不是真的天然螢石。

光學級的天然螢石通常直徑不超過1.5公分，而且價格昂貴

但是人工螢石的確有被使用在照相機鏡頭上，其實徠卡、蔡司、尼康及佳能都有人工螢石的配方，但是因為螢石的折射率很低，所以多數的公司都興趣缺缺，其中最熱中人工螢石非佳能(Canon)莫屬，佳能的人工螢石有兩款，氟化鈣螢石(Fluorite)用在照相機，而氟化鋇螢石(Barium Fluoride)則用在光學儀器上，1968年佳能集團旗下的Optron公司成功製造出人造螢石，人造螢石的折射率約1.43 ~ 1.47，色散很輕微其阿貝指數Vd約85 ~ 95。

Canon製造的人工螢石

史上第一支人造螢石鏡頭 Canon FL 300mm/f5.6 1969年

螢石的折射率通常很低，材料質地很軟、熱膨脹係數也比傳統玻璃大，所以螢石鏡片會比一般光學玻璃更容易受溫度影響，而且鏡面也容易被刮花。此外，使用低折射率的玻璃作鏡頭，如果要達到預期的效果，通常透鏡的曲率半徑要很小，也就是鏡片彎曲得很厲害，這麼一來雖然解決色散的問題，但卻也引進了比較嚴重的球面像差，這使得我們解決了一個問題但卻又惡化了另一個問題，這也是為什麼螢石多半使用在望遠鏡頭的原因，因為望遠鏡頭的鏡面弧度平緩，球面像差輕微但色像差嚴重。所以螢石不是萬靈丹，它必須與其他的光學玻璃搭配才會有好的效果。

薄膜

光學薄膜(Coating)的發明是光學工藝的一大躍進，尤其是用來降低玻璃表面反射的抗反射膜(Anti-reflection coating)，這讓光學設計師可以放手去設計多鏡片的光學系統。光學薄膜的理論是建立在電磁波的阻抗匹配原理，這種原理與高頻電路中的阻抗匹配原理沒有兩樣。我們都知道兩個電路網之間存在阻抗問題，如果阻抗不匹配，訊號傳送時就會發生反射。同樣的原理也發生在玻璃介面，光波在空氣中的阻抗與在玻璃中的阻抗不同，所以電磁波從空氣進入玻璃時，也會因為阻抗不匹配而發生反射。

最早嘗試降低玻璃表面反射的科學家是的德國的夫朗和斐(J. Fraunhofer)。夫朗和斐發現經過酸處理後的玻璃表面可以降低光的反射率。1896年英國的H. D. Taylor 也觀察到一些老透鏡表面因為受潮長了一層薄薄的氧化物，這些老透鏡的光穿透率竟然比新鏡頭高，原因是老鏡表面這層折射率比玻璃低的氧化物彷彿一層單膜，所以老透鏡的光穿透率反而比新鏡頭高。

史瑪庫拉博士

1935年蔡司內部一組由烏克蘭裔的史瑪庫拉博士(A. Smakula)所領導的團隊，利用真空技術成功將氟化鎂等單層薄膜蒸鍍在透鏡表面，藉以降低透鏡表面的入射光反射，並命名為T薄膜(T Transparenz)。這種T薄膜主要用在軍事望遠鏡與潛艇的潛望鏡，可避免鏡頭在太陽底下使用時因為反射而提早暴露自己的位置。因為作為軍事用途，蔡司一直視為機密而沒有公開發表，也沒有使用在一般攝影器材上，一直到了二次大戰期間少數高檔的Contax鏡頭才開始鍍上T薄膜，但是在鏡筒上並沒有特別標注紅T記號，這些早期的T薄膜通常是淡藍色的。

史上第一批單層膜的蔡司85mm f2.0 Sonnar Jena甚至於沒有標注紅T

第一代的多層膜大概只有3~4層，大抵呈現金黃色

光學薄膜的構造是一層高折射率材料與一層低折射率材料相間所堆疊而成，精準的膜厚與折射率是薄膜設計的關鍵，早期因為鍍膜技術尚未完全成熟，膜厚及平整度的控制受到很大的限制，此外，膜的材料分子排列緊湊與否也影響膜的強固度及耐水性。二次大戰剛結束後的光學薄膜大抵是單層膜，在太陽底下觀看這些鍍有單層膜的透鏡時，這種單層膜的反射會偏深藍色而且很淡。一九五零年代後期開始的多層膜最多也只是3~4層，這種薄膜的反射大抵呈現金黃色澤。而現在的多層膜至少是7層以上，膜的顏色則呈現紅綠藍，也因此被暱稱為彩衣。由於半導體產業的需求，鍍膜技術這五十年來有非常飛躍性的進步，現在鍍膜機不但可以把薄膜鍍得非常平整，膜的材料分子也可以排列得很緊湊且規律，這使得現代的光學薄膜具有很高的抗磨損及耐濕氣能力。在光纖通訊系統中所使用的帶通濾波片，其膜層甚至於高達一百層以上。

二次大戰結束後蔡司的鏡頭開始使用紅T來代表鏡頭使用單層薄膜，1970年代初期當多數的光學廠都還在使用四層的多層膜時，日本Pentax就率先推出7層的多層膜SMC (Super-Multi Coating)，Pentax SMC薄膜在市場上造成很大的震撼，凡是採用鍍上SMC薄膜的Pentax鏡頭所拍攝的照片，顏色都非常濃郁鮮豔。為了回應Pentax的SMC技術，蔡司也在後來的鏡頭中標示紅T＊版的6層鍍膜。在一段不算短的時間裡，蔡司的T＊及Pentax SMC被公認為世界上可以使照片顏色最美的兩款光學鍍膜。無論是SMC還是T*，科學家在鏡頭設計之初就已經把薄膜的因素考慮進去，換言之，科學家在設計鏡頭時，選擇了哪一款玻璃？該搭配哪一種薄膜材料？薄膜的厚度該多少？都已經有放入光學設計軟體中一併計算了。

Pentax SMC 多層膜

白光是由紅橙黃綠藍靛紫七種色光所構成。薄膜的設計會影響白光的穿透頻譜，換言之薄膜的設計會影響七種色光的能量分佈，這會讓畫面看起來是暖色調(偏紅黃)還是冷色調(偏藍綠)。蔡司在其宣傳文件上面特別強調T＊薄膜不是一種固定結構的光學設計，而是一種標準。我們都知道不同的光學玻璃例如BK7或LaK3，因為吸收光強度的緣故其穿透頻譜必然會不相同，所以鍍在這兩款玻璃上的T＊薄膜結構也會略有差異，以便讓不同材質的玻璃鍍上T＊薄膜後，最終都能達到相同的穿透頻譜，這也是為何Carl Zeiss Planar f1.4/50與Carl Zeiss Apo Sonnar f2/200的彩衣顏色不同的原因，前者的彩衣偏紅紫，而後者則偏綠。