第十一周题目：双高斯镜头

Dreamor_007

前面几周的题目主要是从那本经典的书中找的，相对的简单一些

从上周开始已经是成品镜头的设计了····只是有些参数进行了少许的简化······

如果你可以做出来，那么我恭喜你，你已经入门·····  但是实际中还需要考虑很多的因素如：使用的玻璃价格，加工的工艺等

希望大家在后面的做题过程中可以把这些因素考虑进来，我不要求大家一定都要跟上我的节奏，每一周都必须完成···

但是我希望大家展示的结果都是认真思考以后的，这样收获才是最多····对吧  这我自己做的都很不到位


这里分享一个F/#=1 FOV=5°的双高斯结构供大家欣赏




这里也欢迎大家分享自己使用或设计双高斯结构的心得和体会····


第十一周题目：双高斯镜头


                      1.EFFL=35mm

                      2.F/#=2（如果可以请尽量减小F数）

                      3.TOTR=50

                      4.C接口
                      5.FOV=10°

             像质要求：接近衍射极限





光学设计，公差分析，光学系统图和零件图绘制希望大家都要完成

                公差等级
               
               
                 公差分析价格
               
               
                 玻璃图               
            
                成都光明玻璃价格表   
                 

            希望大家一起进步  谢谢大家。

Dreamor_007

双高斯结构的设计变化
一 经典结构
Rudolph博士提出的4组6片双高斯结构（Zeiss Planar），是自1896年起120年以来至今仍然活跃的光学结构，是被各厂家仿制最多的结构。



二 经典镜头
双高斯结构最适合设计35-90mm焦段的镜头，这是最适合拍摄日常生活的焦段，除非你想拍摄野生动物或者昆虫的特写这些够不着看不清的场景，双高斯镜头是最佳的选择；这个结构已经超过百年历史，被各路天才光学设计师研究到极致，成像质量指标多次被刷新，性能达到巅峰，存在着很多经典镜头。
Leica：
Summicron  50mm  f/2   Rigid     1956-1968
Summicron  35mm  f/2   八枚玉   1958-1974
Summilux-M 75mm f/1.4             1980-2007

Canon：
EF 50mm F1.2L                           2006-
......

三 发展演变
从非对称双高斯镜头商业成功的近百年以来，双高斯结构设计发展出了很多变化，下面总结一下几种比较主流的变化类型。

1 非对称双高斯结构(6片/4组)
6片/4组非对称双高斯结构是双高斯结构设计发展中第一个取得商业成功的定型镜头结构，至今仍然在应用，2004年发布的Zeiss Planar T* 50mm f/2 ZM镜头即是采用这种结构。

①1817年，2片/2组，Gauβ（德国数学家高斯），为了消除天文望远镜的像差，提出由一片凸镜和一片凹镜两片新月型镜片的组合结构，即高斯结构。

②1888年，4片/4组，Clark提出用两对高斯结构沿光圈对称组合的镜头结构，这就是双高斯结构。

③1896年，6片/4组(对称)，Rudolph发现，4片薄形镜片双高斯结构，正负镜片之间的较大间隔会产生明显的像差，把薄的负镜加厚，减小正负镜片之间的距离，可以降低像差；继而，将加厚的负镜用1片正镜和1片负镜组成的粘合负镜代替，粘合的两片镜片使用不同色散系数玻璃（折射率约相同），由4片4组变成6片4组，可以进一步消除像差，首次实现了大光圈（f/4.5）时非常好的校正多种像差，使得大光圈镜头拥有高质量的光学表现成为现实。这是在还没有高折射率玻璃的时代，蔡司公司对双高斯结构设计的创新，是双高斯结构设计的第一座里程碑。蔡司公司命名这种双高斯结构为Planar，含义为平坦，意即像场平坦。

④1920年，6片/4组(非对称)，Lee为了修正大光圈（f/2）时对称双高斯结构的像差，提出非对称双高斯设计，使用高折射率光学玻璃，这是双高斯结构设计的第二座里程碑，在没有镜片镀膜的时代，达到了双高斯结构设计的顶峰；此后非对称双高斯结构发展出很多变化，有的将粘合镜片分离，有的将一片透镜分由两片代替，但整体结构依旧是非对称双高斯；为了实现更大的光圈，1930~1960年代流行7片5组设计，1960~1980年代流行7片6组设计；虽然历经120年，非对称双高斯结构仍为现代主流高质量镜头的设计基础，2004年发布的Zeiss Planar T* 50mm f/2 ZM镜头，采用6片4组双高斯结构，与1920年Lee版双高斯结构十分相似。

1817高斯结构~1888双高斯结构~1896蔡司双高斯结构~1920非对称双高斯结构

2 增加后组镜片的非对称双高斯结构
1930年，Lee为了增大光圈修正像差，进一步改进设计，在6片/4组非对称双高斯结构的基础上，在后组增加一片镜片，形成7片/5组结构(1-2:2-1-1)，即Super Speed Panchro镜头。此后这种设计被众多厂家引用，一直流行到1960年代，基于这种修正思路，还发展出在后组增加2片/2组或2片/1组的设计，2013年发布的Zeiss Touit 32mm f/1.8镜头即是采用这种修正思路，在非对称双高斯结构的后组增加2片/1组的修正镜组。

无镀膜时代的镜头，镜片不能太多，以镜片和空气的接触面计，6片/4组双高斯结构已经达到了8个接触面，基本达到了无镀膜镜片结构的极限。
1935年，Smakula注册单层真空镀膜专利，镀膜的主要作用是增加光线在镜片和空气接触面之间的通光量，减少光线在镜片之间的反射，从而减少砸光/炫光/鬼影。1896年Harold Dennis Taylor发现光学镜片的防反射涂层现象，1904年注册专利并开始给镜片增加防反射涂层，他使用的涂层材料和工艺方法不能保证每个批次的镜片都能加上防反射涂层；基于Dennis Taylor的镜片防放射涂层思想，1935年Smakula提出的镜片单层真空镀膜技术彻底解决了问题。
在镀膜条件下，光线在镜片空气接触面上的反射大量减少，使得镜头可以含有更多镜片空气接触面而不至于像质下降，增加了光学结构设计的自由度，在此前提下，双高斯结构设计就可以采用一些在无镀膜时代不可能的变化，比如，增加镜片数量，把粘合镜片分离等等，7片/5组(1-2:2-1-1)非对称双高斯结构设计的流行正是受益于镜片镀膜技术。

1930年代到1960年代流行的7片/5组设计

3 前组粘合镜组分离的非对称双高斯结构(Ultron)
①1937年，Albrecht W. Tronnier修改非对称双高斯结构，设计6片/5组结构(1-1-1:2-1)，推出Schneider公司的Kleinbild-Xenon镜头，1950年Tronnier再次使用该结构设计了著名的标准镜头Voigtlander Ultron 50mm f/2，1958年Pentax模仿Ultron双高斯结构设计了55/1.8，1999年发布的Konica M-Hexanon 50mm f/2仍然采用这种结构。

Ultron双高斯结构，6片/5组(1-1-1:2-1)

②1966年Pentax针对Ultron双高斯结构再次结合后组修正思路，设计了前组分离后组增加镜片的7片/6组结构(1-1-1:2-1-1)，即Super Takumar 50mm f/1.4(v2)镜头；向前追溯，1964年Olympus G.Zuiko Auto-S 40mm f/1.4镜头采用同样的结构，这是一支18 × 24 mm像场的镜头（半格相机），这种结构一直流行到1980年代。

后组增加修正镜片的Ultron双高斯结构，7片/6组(1-1-1:2-1-1)

4 在光学中心附近增加修正镜片的非对称双高斯结构
1958 Leica 八枚玉 Summicron  35mm  f/2，1979 Leica 七枚玉 Summicron  35mm  f/2， 1990年代Carl Zeiss CONTAX G Planar T* 35mm f/2都是这类结构，在双高斯结构的光学中心附近增加1到2片镜片，主要用于设计旁轴广角镜头。
  
Leica Summicron  35mm  f/2   七枚玉

5 非球面镜片引入非对称双高斯结构
①1966年，徕卡公司首先开始生产35mm相机非球面镜头，在这一年推出的Leica NOCTILUX 50mm f/1.2镜头，含有2片非球面镜片，光圈达到了1.2，是第一代NOCTILUX。Canon在1971年开始生产非球面镜头，推出Canon FD 55mm f/1.2 AL，AL即Aspherical Lens的缩写。这两个非球面镜片双高斯结构的设计策略是在成熟的双高斯结构上使用非球面镜片。

Leica Noctilux 50mm f/1.2

Canon FD 55mm f/1.2 AL （第二片是非球面镜片，最后一片是浮动镜组）

②1980年，Mandler博士指出，双高斯结构固有的像差和焦点漂移，在那个时代的合理成本和工艺条件下已经不能进一不改进了，在双高斯结构基础上设计制造一个更好的大光圈镜头非常困难。
③1990年，Leica设计SUMMILUX-M 35mm f/1.4 Aspherical （LM35/1.4双非版）时，首次对传统双高斯设计进行了根本性变革，基本思想是必须在镜头整体设计的基本参数层面上统筹考虑使用非球面镜片，寻找最简单有效的设计方案，而不是为了解决设计过程中产生的某些像差而头痛医头的增加镜片。设计思路是从非球面镜片有机融入双高斯光学系统出发， 而不是在双高斯结构之外打补丁。新的设计使镜头的边缘成像质量有了显著的提高。这是双高斯结构设计的第三座里程碑*，采用这种设计思想的镜头成像风格和传统双高斯结构镜头有很大的不同。2004年，LEICA SUMMILUX-M 50mm f/1.4 ASPH的设计遵循了同样的思想。

Leica Summilux-M 35mm f/1.4 Aspherical （双非版）

6 反望远修正的双高斯结构
基本的反望远结构是前组凹镜后组凸镜的两片结构，像差太大不能独立构成镜头，需要在后组增加镜组修正像差。
反望远结构的特点是能加大后组透镜与成像平面的距离，用于单反镜头时可以给单反相机留出反光镜的位置，反望远结构是解决40mm以下135SLR广角镜头后组前移的基本手段；进入数码时代，镜头后组远离成像平面，可以减小光线到CMOS的入射角，提升边角成像质量，出于这种特性考虑，反望远结构在2010年代开始用于数码单反相机50mm标准镜头的设计案例多了起来。

1931年，英国TTH公司首次提出用于电影镜头的反望远结构。
1950年，法国Angenieux首次应用这种结构设计单反相机广角镜头 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5，这只镜头是反望远结构修正天塞结构的一种组合结构。
1962年，日本Nikon公司利用反望远修正双高斯结构设计了Nikkor-S Auto 35mm f/2.8 II。
2013年，德国Zeiss发布Otus 1.4/55，从双高斯结构的角度分析这只镜头的光学结构，可以这样理解，前面的4片4组为反望远结构，后面的8片6组为双高斯结构；双高斯结构经过这样修正以后变成了一种更长结构的光学设计，可以使光线垂直入射CMOS，更适合CMOS对光线入射角的要求。

Nikkor-S Auto 35mm f/2.8 II

Zeiss Otus 1.4/55

7 双高斯结构的几种主流变化类型
①变化类型

②1936-2010年间的一些双高斯镜头


1936年是蔡司镜头开始真空镀膜的年份，观察70多年以来这70多只镜头的光学结构，发现50mm f/2使用6片镜片是个基准，光圈减小一档到2.8，可以减少1片镜片，光圈增大一档到1.4或者焦距扩展到35mm要增加1片镜片，光圈增大到1.2以上一般要增加2片或更多的镜片。增加镜片用于校正更多的像差，也容易产生额外的像差，所以用更好的光学玻璃和更少的镜片应该是好镜头的一个参考指标，对于一般场景够用的2.0光圈35mm和50mm镜头，6片或者7片结构值得重视，这正是Leica 50mm和35mm Summicron系列镜头的镜片数量。

四 关键技术
1920年Lee提出高折射率玻璃组成的非对称双高斯镜头以后，各厂家竞相模仿制造更大光圈的双高斯镜头，这些镜头光学素质的差别主要体现在采用的高折射率光学玻璃上，似乎谁有更好的高折射率玻璃谁就有更好光学素质的双高斯镜头。在双高斯结构的发展历史上，Leica陆续成功的研制出肖特厂（Schott）都没有的超高折射率玻璃，使得众多经典镜头得以实现， 成就空前。高折射率光学玻璃是双高斯结构镜头的关键技术，评判双高斯镜头的价值，是否采用优秀的高折射率玻璃是一个重要参考指标。

光学巨人蔡司公司很少使用非球面镜片，而是坚持采用原始的光学结构设计，加以修正，解决像差问题；非球面镜在同等条件下的确比球面镜有更小的像差，但是球面镜的像差，往往是镜头成像氛围的主要因素。

总结起来，高折射率光学玻璃、镜片镀膜、非球面镜片、以及采用这些技术对传统非对称双高斯结构的优化考量而做出的结构变化，这四项因素，是双高斯镜头成像风格的决定性因素。

Dreamor_007

这里放着两张图的意思是：后期像差平衡的结果，就是在成本和像质里面做出一个合理的选择··  


好的像质必然意味着更高的成本

双高斯应该由很多应用的场合，还希望大家可以分享

lyardan

F/2做衍射极限还是很困难的
双高斯设好规格，跑几圈
根据ray fan依次优化像散、慧差
然后拉MTF
调整材料、面型、厚度

lyardan

Dreamor_007 发表于 2017-7-29 14:02
双高斯结构的设计变化
一 经典结构
Rudolph博士提出的4组6片双高斯结构（Zeiss Planar），是自1896年起12 ...

双高斯很适合用于双远心和单反，是个非常有用且重要的结构
原文讲述了双高斯的发展、各种变形，还有各种结构的实拍样片参考
图片都挂掉了加载不出来..，提供个链接：
http://forum.xitek.com/thread-1329805-1-1-1.html

changy_13

@Dreamor_007 楼主，二楼关于双高斯的历史介绍，图片一直刷不出来，可以提供原文地址吗？

Epyon

初步的设计结果，希望可以给些意见

Epyon

PaulL 发表于 2018-4-4 22:22
初步的设计结果，希望可以给些意见

好的，谢谢站长的建议！

potter

试了一下，衍射极限确实不好做.

changy_13

lyardan 发表于 2017-8-3 12:18
F/2做衍射极限还是很困难的
双高斯设好规格，跑几圈
根据ray fan依次优化像散、慧差

大神，优化的很厉害。没看懂你里面后半部分镜片半径pickup的依据是什么？不是按对称来pickup的