我是一個歷史愛好者，你們中的那些人可能會喜歡這個。即使那些不了解攝影史的人也可能會喜歡這個，因為早期的鏡頭試圖（實際上是非常好的嘗試）解決我們今天想要用我們的鏡頭解決的相同問題：大光圈和無失真的清晰圖像。或者也許是因為意識到神聖的攝影創始人幾乎是一群可以在當前的日間戲劇中扮演合適角色的辱罵背後的人總是很有趣。即使在 1800 年代中期，推動技術進步的兩個驅動力在今天也幾乎沒有變化：軍事和色情。

相機前的鏡頭

早在 Niepce 在 1820 年代拍攝第一張照片之前，鏡頭製造就是一項大生意。眼鏡已經廣泛使用了一個多世紀，顯微鏡和望遠鏡的使用時間要長得多。

然而，與攝影更直接相關的是暗箱（字面意思是暗室）的廣泛使用。幾個世紀以來，人們都知道在暗室的牆上打一個針孔可以將外面的景象投射到對面的牆上。到 1700 年代，暗箱通常是一個木箱，使用簡單的鏡頭和鏡子將圖像投射到磨砂玻璃板上。那些藝術能力有限的人會在玻璃上放一張描圖紙，然後在帆布罩下對獲得的圖像進行素描或繪畫。

圖 1：暗箱

最初使用一個簡單的雙凸透鏡來聚集這些暗箱的光線，但這種透鏡的場曲非常嚴重，以至於只有圖像的中心在焦點上。1812 年，WH Wollaston 發現彎月形透鏡可以提供更平坦的視場。由於發現了提煉鉑金的工藝、發明了照相機和測角儀等，沃拉斯頓已經發了大財，所以他沒有費心為他的彎月形鏡頭申請專利，任何鏡頭製造商都可以生產和銷售它們。因此，沃拉斯頓的彎月形鏡頭成為當時暗箱的首選鏡頭。

 
圖 2：雙凸透鏡（左）和彎月凸透鏡（右）

Wollaston 的鏡頭證明，彎曲鏡頭的形狀可以在一定程度上校正場曲。

第一台相機

Wollaston 的彎月面雖然對於暗箱來說還算不錯，但卻存在可怕的縱向色差：它使不同波長的光發生不同程度的彎曲。當在玻璃板上描摹圖像時，這不是什麼大問題，但很難正確聚焦攝影圖像。約瑟夫·尼普斯 (Joseph Niepce) 於 1822 年或 1826 年拍攝的第一張照片使用了帶有沃拉斯頓鏡頭的暗箱，但曝光時間為 8 小時，對焦並不是真正的問題。

Niepce 和他後來的搭檔 Daugerre 都從巴黎的 Charles Chevalier 那裡購買了鏡片（實際上是 Chevalier 介紹的）。Chevalier 的公司以其為望遠鏡和顯微鏡製造的精細消色差雙合透鏡而聞名。Chevalier 最初發現，反向望遠鏡消色差雙合透鏡產生的圖像可以接受，色差要小得多。1839 年，他將這兩個想法結合起來：製作一個略呈彎月形的消色差雙合透鏡，由此產生的鏡頭被稱為法國風景鏡頭，幾乎與所有早期的 Daugerrotype 相機一起出售。

  
圖 3：法國風景鏡頭的設計（左）和實際鏡頭（中和右）。注意機械光圈輪。通過旋轉具有各種尺寸開口的輪子來改變孔徑。

Chevalier 的 French Landscape 鏡頭證明，將兩個不同色散的鏡頭粘合在一起的雙合透鏡可以在很大程度上校正色差。

1840年的獎品

法國風景鏡頭確實為早期攝影師拍攝了可以接受的圖像，但它有一些弱點。其中首先是鏡頭的最大光圈為 f/15，在 f/22 左右時確實表現更好。結合早期相機中使用的化學工藝，該鏡頭在良好的陽光下曝光時間約為 30 分鐘。如果你有一個非常好的三腳架並且正在拍攝風景照片，那沒關係，但人們想要的是肖像。除非你正在拍攝屍體的肖像（實際上在那些日子裡經常這樣做），否則 30 分鐘的曝光是不夠的。因此，在 1840 年，法國鼓勵民族工業協會組織了一場比賽，並為開發出最佳大光圈鏡頭的人頒發了獎金。

Chevalier 深諳此道，並著手嘗試不同的元素組合。他發現如果他在第一個消色差透鏡上添加第二個消色差透鏡，它會進一步集中光線，並獲得大約 f/6 的孔徑，比他原來的鏡頭快六倍。妙筆生花的是，他還將第二個元件放在鏡頭的可拆卸部分中，這樣它就可以反轉，從而顯著改變焦距——幾乎是變焦鏡頭的前身。

圖 4：Chevalier’s Photographe a Verres Combines 的設計

他提交了他的“Chevalier’s Photographe a Verres Combines”來考慮獲獎，他非常自信自己有一個殺手鏡頭，作為一個法國宅男，獎品是他的。事實上，似乎沒有其他人會參加比賽：與居住在巴黎的世界頂級鏡頭設計師競爭，在法國人評判的比賽中具有冬季入侵俄羅斯的所有吸引力。成功的機會幾乎沒有。

所以，當然，這個名叫 Joseph Petzval 的奧地利人決定參加比賽（嗯，實際上，他不是奧地利人。但他是維也納大學的數學教授，所以他和大多數奧地利人交往。他最初是來自現在匈牙利的佩斯鎮。佩斯與鄰近的布達鎮聚在一起說：“嘿，我們都有愚蠢的名字，所以讓我們聯合起來成為布達佩斯。”）無論如何，約瑟夫他對設計鏡頭一無所知，但像所有數學極客一樣，他認為如果他有足夠的計算能力，他可以在紙上完成所有工作。

當然，現在是 1840 年，Apple 還沒有啟動，所以他不能直接訂購新的 iMac。相反，他做了大多數計算機專家在需要更多能力時所做的事情：他參軍並要求獲得一些超級計算機時間。奧地利陸軍將軍路德維希大公（因此是所有法國人的死敵）下令將“下士 Loschner 和 Haim 以及八名精通計算的砲手”交由 Petzval 調遣（Kingslake，1989）。因此，Petzval 以 10 名奧地利砲兵為幌子，配備了世界上第一台並行計算機，開始進行一些科學的鏡頭設計。

在大約 6 個月的時間裡，Petzval 發現了描述鏡頭球面曲率的數學公式，即Petzval’s Sum，以及折射和某些像差的公式。他在紙上開發了兩個鏡頭的設計。第一個，後來被稱為 Petzval 的人像鏡頭，使用分離的而不是粘合的（如 Chevalier 的鏡頭）後部元件，Petzval 的計算表明，這將校正球面像差和彗差。（第二個鏡頭的設計藏在抽屜裡，但我們稍後再談。）Petzval 把他的設計帶給了他的好朋友，維也納光學儀器製造商 Peter Wilhelm Friedrich von Voigtl?nder，以製作並提交給法國社會進行評估。

圖 5：Petzval 人像鏡頭的設計。請注意後部元件之間的小空間，與 Chevalier 的鏡頭有細微但顯著的區別。

圖 6：佳能 85mm f/1.8 旁邊的實際 Petzval 人像鏡頭（小示例）。注意齒輪齒條式對焦旋鈕。

委員會在 6 個月的時間內仔細評估了這兩種鏡片。雖然我們沒有他們的實際發現，但很明顯 Petzval Portrait 更清晰，失真更小，可以在大約 10 秒內曝光圖像（Chevalier 鏡頭時間的 1/2），並且更容易對焦。Chevalier 鏡頭有很酷的可翻轉焦距後背，雖然鏡頭不是很好，但它上面印有法國巴黎。委員會是法國人，Petzval 是奧匈帝國人，所以他們授予 Chevalier 白金獎章和獎金，完全跳過金牌，給 Petzval 銀牌和熱烈的握手。

但歷史和當時的攝影師的判斷截然不同。在接下來的 20 年裡，Chevalier 繼續做廣告並使他的 Phtographe 成為 Verres Combines，但他保留了顯微鏡業務是一件好事。鏡頭徹底失敗，他賣的幾本可能在 1840 年代相當於 eBay 上，作為“相機和兩個鏡頭組，拍出你想要的所有照片。還有免費的三腳架作為禮物。”

Petzval Portrait 鏡頭售出數千份，並一直生產到 1920 年代。但是，雖然 Petzval 贏得了戰鬥，但他輸掉了戰爭。他的“密友”弗雷德里希·馮·福倫達 (Frederich von Voigtlander) 達成握手協議，生產一台使用 Petzval 鏡頭的全金屬相機，一次性費用為 2,000 古爾登（我不知道那是多少美元，但顯然不是太很多，至少從 Petzaval 後來對交易的感受來看是這樣）。Voigtlander 決定也包括他生產和銷售 Petzval Portrait 鏡頭，並以每張幾百 Guldens 的價格銷售了大約 60,000 份，所以他表現得像個強盜。1845 年，Petzval 起訴 Voigtlander 欺詐。Voigtlander 意識到 Petzval 僅持有奧地利專利，於是將工廠遷至德國並在那裡製造鏡片。

兩人仍然是宿敵，1856 年 Petzval 委託 Deitzler Optical Works 製造他設計的第二個鏡頭（記住那個鏡頭），一個名為 Dialyte 的風景鏡頭。當 Petzval 的房子在 1859 年被盜並且他所有的光學手稿都被盜時，他將責任歸咎於 Voigtlander。他可能是正確的，因為 Voigtlander 很快開始生產與 Dialyte 相同的鏡頭，即 Voigtlander Orthoskop。福倫達 (Voigtlander) 多年來一直是一家占主導地位的鏡頭製造商，並且變得異常富有。Petzval 變得非常憤怒，以至於他停止了所有光學工作。他最終離開了維也納，在修道院隱士生活。（真的，他做到了。我不會編造那個。主要是因為我不會想到它。這個故事太好了。）他在 1891 年幾乎身無分文地去世了。

Petzval 確實在拒絕他獲獎的法國委員會中獲得了更多的臨別機會。Petzval 的人像鏡頭銷往世界各地，但到 1850 年代，隨著從底片製作多張照片的出現，巴黎（Chevalier 的故鄉）的銷量超過其他任何地方。為什麼是巴黎？因為法國法律規定它是世界上為數不多的可以復制“藝術”（發音為色情）照片的地方之一。法國明信片（因其尺寸而得名，郵寄它們是非法的）據說在 1800 年代後期支持的攝影師數量超過所有其他圖像類型的總和。一些偉大的早期攝影師，包括 Reijlander 和 Eadweard Mubridge，主要靠製作這些色情照片謀生。

Chevalier 和 Petzval 的人像鏡頭都證明，額外的元素可以收集更多的光線，從而減小鏡頭的有效孔徑。Petzval 鏡頭還表明，添加額外的空氣玻璃界面（而不是在後部粘合兩個元件）可以校正更多像差，提高清晰度。

快速直線透鏡

在 1860 年代，攝影師仍然主要使用法國風景鏡頭和 Petzval 的人像鏡頭，以及一些較小且不太合適的鏡頭。Petzval 的鏡頭四角非常柔軟（導致橢圓形鏡框流行），而且當時所有的鏡頭都出現畸變，限制了攝影師捕捉建築圖像的能力。他們最想要的是一個沒有失真的合理大光圈鏡頭。

1866 年，英國的 John Dallmeyer 和德國的 HA Steinheil 博士這兩位獨立的透鏡製造商在大約同一時間以相同的方式解決了這個問題。透鏡使用了兩個折射能力不同但色散能力相似的雙合透鏡，對稱地放置在中心光闌周圍（擋光板）。所有鏡片均為彎月形，正鏡片在中心，負鏡片遠離中心（已經嘗試過許多類似的鏡片，但這些鏡片的順序顛倒了。）。

圖 7：Rapid Rectilinear Lens 的設計（由維基百科 Commons 提供）

Steinheil 擁有博士學位，曾與von Seidel（記錄了不同類型的鏡頭像差的物理學家）一起工作，並以數學方式設計了他的鏡頭，因此他確信 Dallmeyer 竊取了他的想法並發出了（當時）儀式信件和新聞稿稱 Dallmeyer 是小偷。Dallmeyer 是一個簡單的鏡頭製造商，但足夠聰明，娶了雇主的女兒，因此他繼承了公司 (Ross Optical)。雖然沒有受過正規教育，但他作為鏡頭製造商享有盛譽。

當塵埃落定後，Dallmeyer 似乎嘗試了各種組合，並通過實踐經驗想到了與 Steinhill 通過精確計算發現的相同想法。他們都獲得了專利並製造和銷售了他們的鏡片。（Dallmeyer 可能更成功一些，可能是因為 Rapid Rectilinear 是一個比 Aplanat 更酷的名字）。

圖 8：佳能 5D 旁邊的快速直線鏡頭（上圖）和拆解後顯示的兩個相同的玻璃元件（下圖）。

Dallmayer 的 Rapid Rectilinear 和 Steinhill 的 Aplanat 都非常受歡迎。通過改變元件中使用的玻璃的成分和它們之間的距離，鏡頭可以製成廣角、標准或短焦。在所有形式中，它都非常沒有失真，並且具有相當大的光圈（f/6 到 f/8）。近 60 年來，它一直以眾多名稱生產。

Rapid Rectilinear Lens 表明，圍繞中央光闌的對稱雙合透鏡幾乎沒有失真，具有相當平坦的視場，並且可以在大光圈下使用。

接著？

很長一段時間沒有太多。當然，還有其他鏡頭。大多數是 Petzval Portrait 和 Rapid Rectilinear 鏡頭的微小變化，要么是改進鏡頭本身的不成功嘗試，要么更常見的只是努力繞過專利。

直到恩斯特·阿貝 (Ernst Abbe) 和約瑟夫·肖特 (Joseph Schott) 組建了肖特玻璃廠並開發了一種測量和分類各種玻璃類型的折射和色散特性（稱為阿貝數）的系統後，鏡頭質量才出現重大飛躍。他們一起開發了進一步改進鏡頭設計所需的緻密鋇冠玻璃，但直到將近 1890 年才問世。當時，他們工作的公司是一家名為 Carl Zeiss & Co. 的小型顯微鏡製造商。走向攝影鏡頭製造的前沿。但那是另一天的文章。

與此同時，在您離開本文之前，請再次瀏覽一下這些簡單、經典鏡頭的示意圖。如果您查看一些現代設計的原理圖，您會發現它們的起源至少可以部分追溯到這些鏡頭。例如，您永遠找不到不包含彎月面元素和消色差組的現代鏡頭。您會在許多現代鏡頭中看到 Petzval 在元件之間的小空氣空間，其目的與此相同：允許設計師比膠合組更準確地減少像差。雖然它經常隱藏在其他元素中，但您可以在不少現代鏡頭的設計中找到對稱對立的組，如 Rapid Rectilinear 的組。

參考

• http://niepce.house.museum/pagus/invus4.html
• http://encyclopedia.jrank.org/articles/pages/1015/Evolution-of-the-Photographic-Lens-in-the-19th-Century.html
• http://image.eastmanhouse.org/files/GEH_1961_10_05.pdf
• Kingslake，魯道夫：攝影鏡頭的歷史。學術出版社，倫敦，1989 年。
• http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Petzval
• http://www.camerapedia.org/wiki/Voigtl?nder

從 Petzval 和到阿貝數

羅傑· 西卡拉 2010 年 10 月 24 日發布 分享 鳴叫

https://wordpress.lensrentals.com/blog/2010/10/from-petzvals-sum-to-abbes-number/