相機鏡頭：古典設計、Petzval、Rapid Rectilinear、Triplet與Tessar
冼鏡光
August 13, 2008上線
March 11, 2010修訂
December 22, 2024搬家到此
冼鏡光
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上一篇從透鏡說起交待過一些基本觀念與常見的名詞，從本篇起要介紹若干在相機鏡頭史上重要而且有影響的設計。
因為此地只是個blog而不是教科書（或教學網頁），沒有必要把所有的設計都拿出來談，事實上也談不完，
所以本篇只選擇自己認為最重要、各位也許都聽過、而且在blog上也容易說明的設計，
有了這些知識之後再上網或在書中找資料時或許就不會有大海撈針的感覺了。
本篇要談的是五個早期（從1839年發明攝影到十九世紀末）的重要設計，
第一是Daguerre發明攝影時所用的Chevalier風景鏡頭（二片一群、2E/1G、2），第二是次年（1840）的Petzval人像鏡頭（四片三群、4E/3G、2-1-1），
第三是Dallmeyer在1866年設計的Rapid Rectilinear（四片兩群、4E/2G、2-2），
第四是Harold Dennis Taylor（18621943）在1893年設計的Cooke Triplet（三片三群、3E/3G、1-1-1），
第五是1902年Paul Rudolf（1858-1935）設計的Tessar（四片三群、4E/3G、1-1-2）。
目前，這五者中第一項只有在最便宜的機型上用到（其實也很少見），第二項在相機上幾乎不再使用而被更新的設計取代；
Rapid Rectilinear（簡稱RR）則一直流行到二次大戰之前、是一個常見的小廣角到標準的鏡頭，
但今天已經完全看不到用Rapid Rectilinear設計的鏡頭；
Cooke Triplet也常在中低階機型上出現，而Tessar經過一世紀之後還是中階鏡頭的主力。
下面我們從Chevalier風景鏡頭的前身（Wollaston風景鏡頭）開始介紹。
古典設計
造鏡頭的技術出現在發明攝影之前，譬如伽利略就知道如何造天文望遠鏡，但這些鏡頭只涵蓋很小的一個區域（視角很小），
設計涵蓋較廣區域的高品質鏡頭在十九世紀對光學設計者來說是個很大的挑戰。
差不多在1812年，英國科學家W. H. Wollaston（1766 -- 1828）發現把一個凸新月形透鏡的凹面朝外、
而且在鏡頭前面加一個光圈（見左下圖），視角就可以到達40度左右（比135底片的標準鏡頭小一些），
而且效果要比用凸透鏡來得好，特別是在影像邊緣的部份。
以今天的角度來看，這個鏡頭的光圈大約是f/14，球面像差與慧形像差不很大（與當時的鏡頭比較），而且可以產生相當平坦的影像，
也稍許降低了枕（或墊）狀變形。
因為Wollaston的鏡頭可以涵蓋比較廣的區域，這個鏡頭通常叫做Wollaston風景鏡頭
（Wollaston Landscape Lens）。
看到「風景」這兩個字，我們不要想像成是今天的廣角鏡頭，用「風景」多半是相對於「天文」而言，
真正實用的廣角鏡頭要到二十世紀初才出現。下左是Wollanston風景鏡頭的示意圖，這是最原始的
法國人Louis-Jacques-Mandé Daguerre（1787 -- 1851，讀音與dag-AIR類似） 在1839年發表他的相機（叫做Daguerreotype）時特別強調： 相機的鏡頭得是個achromat而且凹面朝外，直徑為81mm，焦距是380mm，光圈開孔為27mm並且在鏡頭前方68mm處， 相機片幅為216×164mm； 所以Daguerre相機鏡頭的視角大約是40度、光圈約略是今天的f/14（亦即14 = 380/27）。 事實上，Daguerre在設計相機時曾經求教於他的好友Charles Chevalier（18041859）； Chevalier是法國當時的知名造望遠鏡與顯微鏡專家，他提供了Daguerre一個望遠鏡的achromat主鏡， 差不多就是Wollaston的二片一群版（見上右圖），因此Daguerre相機的鏡頭規格就是由此而來。 很快地，許多廠家都開始生產Chevalier的鏡頭，在當時這個鏡頭通常叫做法國風景鏡頭（French Landscape Lens）。 很多近代的近拍鏡就是個雙合透鏡，它們的設計和法國風景鏡頭類似，但品質當然好很多。
Chevalier的風景鏡頭生產了很多年，1857年時愛爾蘭光學家Thomas Grubb（18001878）提出一個改良版， 變成一個凸新月形透鏡與一個凹新月形透鏡黏起來的achromat（下左圖）， 叫做Aplanat（表示校正了球面像差與慧形像差的鏡頭，不過在早期只表示校正了球面像差）。 這種單一或achromat的新月形設計一直用到十九世紀末，很多低階機型都配的是這一類鏡頭。 改良版當然是有的，譬如英國的Dallmeyer公司就在1864年推出了一個三合透鏡版， 叫做Rapid Landscape、視角60度光圈f/11的鏡頭（下中）， 以上提到的鏡頭只用一組透鏡、而且不是對稱設計，所以有相當的變形；1888年Dallmeyer把Rapid Landscape 改成三片二群（3E/2G、2-1）、 有點對稱的設計（下右），這個新鏡頭叫做Rectilinear Landscape（Rectilinear表示直線的意思）， 然而十九世紀的最後十年好鏡頭不斷出現（比如Cooke Triplet，見下文），Rectilinear Landscape在市場並沒有維持太久的時間。
這些設計中光圈都在鏡頭前方（Daguerre原來的建議），也有廠家把光圈放在後方的。 這一類的單透鏡設計隨著十九世紀結束而逐漸消失（雖然低階機型因為成本因素還在使用）， 代之而起的是對稱式與其它設計，詳見後文與其它各篇。
Petzval的設計採用兩組achromat（見下圖），這是四片三群（4E/3G、2-1-1）的結構。 前方的achromat是個雙合透鏡，用途是校正球面像差與一部份慧形像差； 後方的是反過來裝、分開來的achromat，用途是校正前方achromat遺留的慧形像差。 在Petzval設計中並沒有嚴格規定achromat的凸透鏡得用矽酸玻璃（Crown）而凹透鏡用氧化鉛玻璃（flint）， 所以後來生產Petzval鏡頭的廠家有用Crown-flint-flint-Crown的組合、也有用flint-Crown-Crown-flint的組合。 因為散光只在邊緣出現，用光圈可以消除大部份，但Petzval的設計沒有修正變形， 這使鏡頭可用的視角侷限在30度左右（約略是135底片上的85mm）。 另外，Petzval的設計需要較長金屬鏡筒的Daguerre相機，因而造成相當嚴重的邊緣失光。 不過在人像攝影時30度的視角不是個問題，邊緣失光更可以突顯在畫面中央的人物，但是整個鏡頭卻很重、只適合在室內使用。 如果您用Julie Margret Cameron上網搜尋，就會找到很多這位十九世紀中葉的傑出英國女攝影家的人像作品，她用的就是Petzval鏡頭。
Petzval鏡頭有個很有名的特徵，因為它的像場不平坦，於是畫面邊緣的散景有旋轉的現象， 但因為Petzval鏡頭太多數是為大底片機型設計，轉接到SLR/DSLR上只能拍到中央部份，因而看不到旋轉散景。 下面是一個英國Ross在1870到1875年間生產的Petzval人像鏡，焦距約略是250mm（10英寸），最大光圈是f/3，這在當時是很嚇人的規格。
Petzval的人像鏡頭得到二獎，首獎是Chevalier的設計，但後世通常不知道Chevalier的設計細節而且幾乎沒有派上用場， 不過他的可轉換鏡頭系統（convertible lens system）的觀念倒是風行過一段日子； 二次大戰前後有不少大型相機鏡頭系統，以及Zeiss Ikon的Contaflex和Kodak Retina這兩系列135機型使用過這個設計觀念， 但今天已經沒有人使用了。 Petzval的設計則流傳下來，甚至於到二次大戰前都還在使用，雖然後來的人像鏡頭都改用更新的Sonnar或雙Gauss設計（見以後各篇）， 但Petzval鏡頭在投影機上還曾經很風行。
Petzval鏡頭是他的朋友（也在維也納）Peter Voigtländer（1812-1878）生產的， 在1840年5月上市，焦距為143mm、光圈f/3.7、成像圈約95mm。 鏡頭上市沒多久，Petzval就埋怨Voigtländer付的權利金不夠多，兩人因而反目。 後來Voigtländer在1949年把公司搬去德國，再加上Petzval鏡頭只在奧地利有專利， 於是幾乎每一家德國鏡頭廠都生產Petzval鏡頭與它的變形，很快地法國、英國、甚至於美國也跟進， 所以Petzval的損失是很大的。 不過對後世愛玩老鏡頭的人而言卻是個福音，因為不難找到個堪用的Petzval鏡頭，雖然名字不一定叫做Petzval。
Rapid Rectilinear和Aplanat都採用四片兩群（4E/2G、2-2）的對稱設計， 前方透鏡組是一片凹新月形透鏡和一片凸新月形透鏡黏在一起的雙合透鏡，後方的透鏡組也相同、不過方向相反而形成對稱， 光圈就在兩個透鏡組的中央（見下圖）。
Dallmeyer是用什麼方式得到這個設計恐怕是個不解之謎， 不過很多人認為他是把兩個Grubb設計的風景鏡頭面對面對稱地放在一起而得（ Grubb風景鏡頭和它的設計在前面古典設計一節介紹過）。 事實上，Dallmeyer是先生產Wide-Angle Rectilinear鏡頭，它是一個前鏡組比後鏡組大的Rapid Rectinear（見下左圖）， 一般認為這是Dallmeyer為了搶廣角鏡頭市場而匆促推出的產品。 然而推出Wide-Angle Rectilinear後幾週內，Dallmeyer就發現如果把前後鏡組弄成對稱， 影像品質會有顯著改善，於是進而推出知名的Rapid Rectilinear。
德國的Steinheil在Philipp Ludwig von Seidel教授（1821年10月23日 – 1896年8月13日，首先分析研究像差的德國數學家） 協助下也推出了結構相同的Aplanat（見上圖中），所以這個設計應該是有學理根據的， 後來Steinheil把Aplanat修改而得到Wide-Angle Aplanat（見上右圖）。 有趣的是兩組人在同一時間獨立地用不同方法開發出相同的鏡頭，Dallmeyer先做出廣角鏡頭再改良成通用版標準鏡頭， 但Steinheil則先開發出標準鏡頭、由此而得到廣角鏡頭。
高度雷同的設計必然會產生專利糾紛，Dallmeyer和Steinheil互相指責抄襲，經過冗長的查証之後， 結果是兩人的確獨立開發出相同的產品（這種事在歷史上所在多有），但Steinheil比Dallmeyer稍早幾週。 今天在文獻中英美習慣上用Rapid Rectilinear，當然歐陸的德法就會用Aplanat了。 下面照片是兩個這樣的鏡頭，左邊的是美國Bausch & Lomb生產的Rapid Universal（約在1891年前後）， 最大光圈是f/8（使用Waterhouse光圈片控制大小）、涵蓋區域為6.5×8.5英寸。 右邊是德國Emil Busch生產的Rapid Aplanat No. 2 Series D，光圈也是f/8（使用光圈葉片控制），生產年代應該是二十世紀初期。
因為光學品質優異，Rapid Rectilinear在市場上相當成功， 從1866年起到1930年代初期享譽近70年才被Triplet取代（見下文）。 事實上Rapid Rectilinear的生產成本並不低，因為生產兩組黏起來的透鏡在研磨和黏合的過程中精密度要求相當高， 但Triplet是用三片分離的透鏡，研磨上比較單純而且不必黏合，然而Triplet在組裝精密度上卻要求比較高。
不論如何，與Petzval一樣，Rapid Rectilinear已經功成身退， 二次大戰之後幾乎看不到使用Rapid Rectilinear設計的鏡頭，至少在戰後的135和66機型上從沒見過這個設計。 另外，Bausch & Lomb的百年老鏡Rapid Rectilinear 這篇文章介紹了如何在DSLR上使用Bausch & Lomb生產的一個Rapid Rectilinear鏡頭。
最基本的Triplet可以說是性能良好的相機鏡頭中最簡單的一型，但它的光學特性已經很難滿足今天的要求， 所以除了在低階機型之外已經不多見，不過在1960年代之前，使用Triplet設計的相機鏡頭不少。 下面照片是幾個比較有名的例子，自左而右是Carl Zeiss Jena Triotar 135mm f/4（M42版， 在大戰前後還有Contax RF機型版）、Meyer Trioplan 100mm f/2.8（M42版）、 與Leica的最後一版Elmar 90mm f/4（Leica Canada設計），前兩者是低價位產品，但後者卻是Triplet設計的經典， 請參看Carl Zeiss Jena Tessar 80mm f/2.8 M42版, Carl Zeiss Jena Triotar 8.5cm f/4 M39或M42鏡頭（195X） 與Leica Elmar 90mm f/4這兩篇文章的介紹。
早在1890年，Paul Rudolf發現在風景鏡頭光圈的前方加一個低倍率、位置大致上與原鏡頭對稱的雙合透鏡，就可以改善原鏡頭的球面像差， 他把這個鏡頭叫做Anastigmat（見下左圖）。 然後英國Dallmeyer公司的Hugh L. Aldis在1895年把Anastigmat前方雙合透鏡的兩片透鏡分離、讓兩者之間有一點空隙， 他把這個鏡頭叫做Stigmatic。 稍後Rudolf也了解到拆散雙合透鏡的好處，因而把Anastigmat的兩組雙合透鏡拆成四片透鏡（亦即四片四群、4E/4G、或1-1-1-1）的型式， 這是Carl Zeiss的Unar鏡頭（見下右圖）。 不過Rudolf仍然認為Anastigmat後方的雙合透鏡有其必要，於是從Unar的四片四群設計回到四片三群（4E/3G、1-1-2）， 這就是1902年發表的Tessar。
Tessar的光學品質相當高，從1902年起到今天目前都還在生產，因為光學技術的進展，新型的Tessar鏡頭未必仍然是1-1-2的設計， 但基本設計觀念卻沒有改變： 最前方的凸透鏡組與接下來的凹透鏡組型成一個低倍率透鏡組、用來校正最後方高倍率凸透鏡組的像差。 目前的Tessar鏡頭（以135底片相機為準）大致上是從標準端（45mm左右，在二次大戰前還有35mm廣角版）到中望遠端（100mm左右）， 生產Tessar的也不只是Carl Zeiss，而且產品從低階機型到高階、甚至於45的機型都有， 所以Tessar與它的變型可以說是極具盛名的一個長命設計。 下面照片中左邊的是Carl Zeiss Jena的Tessar 50mm f/2.8，中間的是Tessar 80mm f/2.8 （見Carl Zeiss Jena Tessar 80mm f/2.8 M42版一文）、 右邊是Leica Elmar 90mm f/4 （見Leica Elmar 90mm f/4的介紹）。
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