双高斯结构

Carl Friedrich Gauβ发现的概念

1817年，才华洋溢的德国数学家、测量地理学、同时也是天文学家Carl Friedrich Gauβ（1777-1855），为了解决哥廷根天文台观测望远镜的像差问题（当时他担任哥廷根天文台的观测天文学者），构思出使用两片新月型镜片（meniscus-shaped）的组合，一片正一片负，这种组合就是高斯结构的起源。1888年，Alvan G. Clark更发现到用两对高斯结构「背对背」反方向组合后，也可以成为一种有用的镜头，这就是双高斯结构的概念开始（Double Gauβ）。

概念

1890年，Baush&Lomb公司投资研发Alavn G.Clark这种结构的广角镜头，一直卖到1898年（但是这样的镜头卖得并不好，后来停止生产）。接着有更多的欧洲光学设计人员开始注意到双高斯结构并开始研发，有的公司的同类产品一直卖到1930年。1930年后，较典型的Double Gauss镜头是ZEISS的Topogon广角镜（视角约90度）；这颗f/6.3的广角镜用于空照用镜多年，是当时的空照标准用镜，变形率很低。

此后，在第二次世界大战期间与战后，挂着各家厂牌的双高斯结构的镜头大量问世，但这些镜头其实都是将Baush&Lomb公司的Metrogon镜头所改良的双高斯镜头。当时Metrogon的Double Gauss 4片结构的新月型镜片曲率很大，容易造成镜片光轴凸向底片，而镜片边缘离底片偏远，而造成画面照度不平均，产生严重的暗角。当时双高斯结构的镜头，需要用中央渐层减光滤镜来搭配使用，以防暗角。

ZEISS PLANAR的Double Gauβ进化优异点

1896年，Paul Rudolph注意到双高斯结构可以帮助他设计出更好的镜头，因为双高斯是对称式的的结构，可以使设计者能减少很多的像差的控制自由度。但是原本的双高斯4片薄形半月镜结构，正与负镜片之间的间隔很大，斜行光线入射的像差（如coma，及astigmatizm像差）会很明显，即使将光圈缩到f/8都很严重。这个问题在Paul Rudolph手中解决了！他把原本薄的新月型负镜（thin meniscus）加厚，这使得正与负之间的镜片距离减小，进而降低了斜射光线所造成的像差。

但是双高斯仍有色差控制问题要解决，Rudolph当时找不到足够低色散的玻璃来抑制（1896年还没有高折射率玻璃），但是他发明了一种设计方式来代替。Rudolph的双高斯结构控制色差的方法，就是将原本加厚的负镜再分成两片，然后再胶合起来。这种方法跟上述加厚凹负镜的两种改良，是Rudolph版的PLANAR的精髓所在！

这也就是说，双高斯结构中的负镜改由一片凸镜与一片负镜合二为一整片很厚的双高斯结构中的负镜（原来的4群4片变成4群6片）。而这黏合的正镜与负镜使用不同色散率的系数玻璃种类（但折射率选择约相同为1.57），利用其正负相抵的原理使得色散缩减，用以控制色差。其实，这就是Achromat doublet消色差组合的一种运用！Rudolph神奇地想到将此设计放到双高斯的负镜片上应用成功。此举使得原本双高斯结构设计的缺点改善，保留原有的对称优点。

Rudolph 之后的 Double Gauβ

Rudolph版的PLANAR，在当时当然是相当优异。不过，当时的双高斯结构并非镜头设计主流，早期的PLANAR仍有些严重的缺陷，因为使用了相当多的空气透镜，在没有镀膜的情况下，有严重的耀光鬼影，起始光圈也无法加大。所以ZEISS并未重视，搁置甚久。后来在1902年，Paul Rudolph又设计了较为简单，能符合当时生产标准的的TESSAR来因应。

尽管如此，仍有不少光学厂商持续研究与改良。1920年时，Taylor-Hobson公司的Horace. W. Lee发展出与Rudolph不同的设计手法。Lee与Rudolph不同，他采用了折射率较高的冕玻璃，而Rudolph当年是用低折射玻璃，两者的差异是Lee的设计可以将镜头的光圈推到f/2。

在Lee之后，其它的光学设计者也纷纷采用Lee的设计概念，进而衍生出更多的Lee版的双高斯结构。1925年Schneider推出Xenon f/2、1927年ZEISS也推出Biotar 50mm f/2。1931年，Lee更成功地研发出f/2的高速电影机镜头（Speed Panchro），而成为好莱坞电影厂的标准配备。当时类似Lee这类的4群6片大光圈双高斯设计的镜头厂商也陆续出现。

时至今日，几乎所有的大光圈双高斯镜头都是Lee的设计呢！

非对称发展

1930年代许多如PLANAR架构的对称式双高斯结构，陆续改为非对称式设计，主要原因就是为了修正大光圈时所产生的像差。非对称双高斯的变化种类很多，但整体结构依旧是双高斯，有的将原本黏合的镜片开始分离，有的将原本一片正凸镜分由两片正凸镜来分担，各种应用都有。其中最有名的是LEITZ（LEICA）的SUMMAR 50/2，SUMMARIT 50/1.5，SUMMITAR 50/2，SUMMICRON 50/2、90/2等等的系统。变形双高斯历史悠久，这些非对称的双高斯结构都是为了改善最大光圈时的素质所设计的。

到了21世纪的今天，各家光学厂商关于双高斯镜头设计且登记有案的专利已超过300件，其它没登记专利的变化形可能更多，可见其子孙繁多，现今看到的大光圈镜头多数都是非对称的双高斯结构，有的如f/1甚至0.95的都是此设计。

LEICA成就

LEICA在双高斯结构的成就上是有目共睹的。自从H. W. Lee发展高折射率玻璃组成的双高斯镜头后，各家厂商无不摩拳擦掌，打算制造更大光圈的高速镜头，但其中的关键技术—高折射率玻璃，却是LEICA的骄傲！LEICA玻璃研发部陆续成功的研制出当时连Schott厂都没有的超高折射率玻璃的镜片及炼制程序，使设计人员的梦幻镜头得以实现，超高速大光圈低暗角等等的镜头也相继推出，在双高斯结构的后期发展，LEICA的成就可说是空前的。

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