镜头设计师的工作

在制造透镜之前，必须先对其进行设计，也就是说，必须确定并指定各表面的曲率半径、厚度、空气间隔、各个组件的直径以及所用玻璃的类型。透镜之所以复杂，原因在于理想情况下，从给定物点发出的所有波长的所有光线都应精确地通过该物点的像点，且一个平面物体的像应为一个平面，直线成像时不应出现任何畸变（弯曲）现象。

科学家总是试图将复杂情况分解为各个组成部分，透镜也不例外。几百年来，人们已认识到透镜所成的不完善像中存在多种所谓的像差，每一种像差均可通过改变透镜结构来加以改变。典型的像差有球差、彗差、像散和色差，但在任何给定的透镜中，所有像差都混合在一起，矫正（或消除）一种像差对最终像质的改善程度，仅限于该特定像差在总体混合中所占的分量。有些像差只需改变一个或多个透镜元件的形状即可轻易改变，而另一些则需要对整个系统进行大幅改动。

可供设计师改变的透镜参数称为“自由度”。它们包括表面的曲率半径、厚度和空气间隔、各透镜元件所用玻璃的折射率和色散本领，以及“光阑”（即限制孔径的光圈或镜座）的位置。然而，还必须始终维持透镜所需的焦距，否则相对孔径和像高就会变化，设计师最终可能得到一个优质的透镜，但却不是他原本打算设计的那一款。因此，我们所做的每一项结构改变，都必须伴随某种其他的改变，以保持焦距恒定。此外，如果透镜要在固定放大倍率下使用，则在整个设计过程中也必须保持该放大倍率。

“透镜”这个词含义模糊，因为它既可以指单个元件，也可以指整个物镜，例如相机所配的镜头。“系统”这一术语常用于指由透镜、反射镜、棱镜、偏振器和探测器等单元组成的组合体。“元件”一词则总是指一块具有抛光表面的单个玻璃件，因此一个完整的透镜包含一个或多个元件。有时，一组胶合在一起或紧密空气间隔的元件，被称为透镜的一个“组件”。然而，这些用法尚未标准化，读者在书籍或文章中遇到这些术语时，需自行判断其含义。

1.1. 设计师与工厂的关系

透镜设计师必须与工厂建立良好的关系，因为他所设计的透镜终究是要被制造出来的。他应熟悉各种制造工艺，并与光学工程师密切合作。他必须时刻牢记，透镜元件是需要成本的，因此如果成本是一个重要因素，就应尽可能少用元件。当然，有时像质是最重要的考量，在这种情况下，对透镜的复杂度或尺寸便不加限制。更为常见的是，设计师会被敦促节约成本：使用更少的元件、采用更平的透镜表面以便在单块盘上同时抛光更多透镜、选用价格更低的玻璃种类，以及采用更厚的透镜元件，因为在各种制造操作中，较厚的元件更容易通过边缘进行夹持。

1.1.1. 球面与非球面

在几乎所有情况下，设计师都只能使用球面折射或反射表面，将平面视为半径无穷大的球面。标准的透镜制造工艺能以很高的精度加工出球面，但历史上，试图通过允许使用非球面来扩展设计师的自由度，却导致了极其困难的制造问题；因此，这类表面仅在找不到其他解决方案时才被采用。施密特相机中的非球面校正板就是一个经典例子。近年来，人们在开发制造和检测技术方面投入了大量努力，以求在商业规模上为反射镜、红外透镜和玻璃透镜等元件制造非球面。单点金刚石车削、反应离子刻蚀以及计算机控制自由曲面研磨和抛光等新制造技术，极大地拓展了透镜设计师的设计空间。此外，模压非球面非常实用，只要产量高到足以摊平模具成本，就可以使用；这尤其适用于通过注塑成型的塑料透镜。

除了加工和抛光精确非球面的问题，还有对中的难题。具有球面的共轴透镜有一个包含所有表面曲率中心的光轴，但非球面有其自身独立的轴线，必须使其与系统中包含所有其他曲率中心的轴线重合。在本书第一版中曾提到，大多数天文仪器以及少数摄影镜头和目镜使用了非球面，但当时建议透镜设计师尽可能避免采用这类表面。

如今，情况已大为改观，非球面透镜更常被纳入设计之中，这主要归功于制造技术的进步，能够在合理的时间内、以合理的成本提供优质表面。例如，现在佳能、尼康等公司销售的许多高档摄影镜头，都包含一个或多个非球面。透镜设计师需要了解目前哪些玻璃可以通过模压以及研磨或其他工艺实现非球面化。如前所述，与制造方保持良好沟通，无论怎样强调都不过分。