但問題是，計算機能生成優秀的鏡頭設計嗎？當然不可能。真正的設計其實來自於人的大腦，就像導航儀器只有在妳為它指定了明確的目標後，才能幫妳找到正確的路線。商業鏡頭設計系統當然可以為妳優化鏡頭設計，但是如果設計本身的出發點不足，那麽妳就很難改正。目前光學設計部門廣泛使用計算機，但也說明計算機及其計算機程序並不能為妳找到所有的答案。
鏡頭設計是壹項創造性的工作，必須以經驗和敏銳的洞察力來了解各種光學像差的特性。
首先讓我們來看看鏡頭設計的壹些基本原則。
任何鏡片，不管是新的還是舊的，都可以用“鏡片說明”壹詞來區分鏡片的數量、玻璃的種類、鏡片的曲面半徑、鏡片的厚度、鏡片之間的距離、每個鏡片的直徑等等。這些都是用來全面描述壹個鏡頭的參數。當物體發出的光穿過玻璃表面時，會發生折射，就像我們在中學物理課本上學到的物理知識中描述的那樣。
光的折射量取決於玻璃的折射率。鏡頭設計者如果能知道光線進入鏡頭前鏡片時的位置和入射角，就能通過光理論系統準確跟蹤光路。可以通過三角函數的正弦和余弦計算角度和距離。因此，通過簡單的平面幾何，可以追蹤光的路徑。我們知道任何點光源發出的能量都是散射的，沒有方向可言。只有壹部分能量穿過透鏡，設計者還假設穿過透鏡的能量(那些被視為壹系列獨立的光線)可以通過簡單的數學來追蹤那些光線的路徑。
鏡頭設計者首先從光軸上的某壹點追蹤少量光線。假設每個物點都會形成在膠片平面上它對應的點上，那麽來自物體的光就會轉換成這樣壹個相位點，並且具有相同的相對位置。這是高斯的小說。對於那些靠近光軸的點，設計者可以合理地認為高斯成像是相當精確的，這就是傍軸光學。雖然計算公式相當簡單(至少對於有經驗的設計者來說)，但要求這些數字的計算精確到小數點後5~8位。
在機械和電子計算機出現之前，計算這些數值的唯壹方法是使用對數表。在20世紀30年代，每天只能進行50次這樣的計算。因為容易出錯，每個數字都要檢查兩遍。比如不要把“7”當成“9”，壹定要保證手寫字體工整易認。我曾經有機會在Solms看到Leitz早期的設計成果。那些長長的數字，為了便於識別和抄寫而精心書寫的字體，都說明了當時的工作有多辛苦。比如壹個6片鏡片的鏡片設計，每片鏡片的表面需要計算200個光路，整個鏡片的計算量達到3000個光路，需要3個月才能完成所有的計算。當時Leitz的工作和組織方式令人驚嘆(Leitz直到最近才第壹次透露)。
鏡頭設計師傾註在他設計中的浪漫想法自然是個謎。
在實際設計中，設計主管負責壹組工人，其中大多數是女性，她們負責大量計算工作中非常重要的壹部分。設計總監指導整個設計。他從他的工作人員知道的大量光學公式中得出結果，決定是繼續原來的設計還是調整設計。對於任何重要的攝影光學來說，平行光軸光學的計算用處不大。
對於大口徑鏡頭的設計，由於進光量較大，所以考慮斜向光進入鏡頭非常重要，考慮平行光進入鏡頭在中心區域成像非常重要，但對於遠離像場中心區域的成像意義不大。斜著進入鏡頭的光可以分為垂直和水平兩部分。穿過垂直面的稱為切向射線，穿過水平面的稱為徑向射線。這部分光路需要壹個特殊的公式來計算。但是這些公式極其復雜繁瑣，手工計算幾乎不可能。即使對現代電子計算機來說，這也不是壹件容易的事。
所以在實際設計中，設計師盡量避免那些計算(射線)或者只做近似計算，Leitz和Zeiss就是這麽做的。最後的計算毫無例外都是妥協的結果，即有已知因素，也有未知因素。
越軌
我們都知道，光是由不同波長的彩色光波組成的，而當光進入透鏡時，不同波長的光波都有自己獨特的光路。我們已經知道，理想光線不可避免地會受到透鏡的幹擾而產生像差。透鏡設計的第壹要素是理解和控制這些像差。校正後的光線路徑與現實的偏移量可以通過三角幾何函數計算出來，兩者之差稱為光線路徑差，用來控制像差。典型的像差是球面像差、光暈和光損失。在20世紀30年代，物差雖然被量化了，但卻總是成為鏡頭設計中令人困惑的因素。
像差方程是壹個多元方程，每個元素代表壹個已知的像差，其系數代表其重要性和對成像質量退化的影響。所有像差之和可以概括為:像差= aSA+bC+cA(SA:球差；c =彗差、暈；a =散光，光損失；a、b、c:加權值)。
過去，由於對物差的理解需要大量的計算，光學設計人員對物差的理解僅限於壹些理論知識，其實際應用非常有限。因此，關於特殊光路校正的知識還不完善。所以蔡司的Sonnar和萊茨的Summar之間孰優孰劣的爭論從那時持續到現在也就不足為奇了。設計師只有從設計草圖入手，才能知道如何大致修正鏡頭設計。
對於設計師來說，要想校正像差，必須能夠知道具體的像差會對成像產生什麽影響。球差會影響像場中心部分的成像，像面的彎曲程度表示拐角的矯正，等等。然而，這仍然是壹個簡單的說法。所有的像差都會對整個畫面產生影響。像差的作用只有壹個:來自物體某壹點的光的能量不能完全集中在它對應的成像點上，而是形成了壹個模糊圈，模糊圈內光的分布不是平衡的，而是不規則的。實際上，模糊的圓並不是壹個正圓，而是壹個不規則的形狀。它的形狀，光線在其中的分布，模糊圓在成像平面上的準確位置，都是像差相互作用的結果。
像差是多種多樣的，為了方便起見，我們可以將其分為三類:3階像差、5階像差和7階像差。“3”、“5”和“7”代表等式中上述像差的指數。我們所熟悉的是三階像差，也稱賽德爾像差，其名稱來源於第壹個用數學方法全面描述它的人。“三級”這個名字真的很混亂:三級像差是所有像差中最重要的，從這個方面來說，它是第壹級。目前，很難將這三種像差都控制在令人滿意的水平。重點是:當妳把三種像差都控制住了，就會遇到五種像差的幹擾。與三級像差相比，它們更易變，更難控制。這樣壹來，壹旦三級像差控制好，成像的模糊圈變得很小，新的像差又產生了，這些新的像差對畫面的影響會讓妳更加壓抑。像差的結果通常都是壹樣的:降低對比度，模糊整個畫面。像差對成像的影響是致命的，這也是MTF成為現代鏡頭設計的有力工具之壹的原因。MTF可以告訴妳妳的鏡頭設計哪裏需要改進。
現在我們應該明白為什麽舊的鏡頭設計是那樣的了。首先，缺乏關於高階像差的理論知識。為了很好地校正賽德爾像差，設計者將不得不面對巨大的計算工作量。所以設計師壹般都是從創作靈感或者之前的名氣入手，畫出光路的大概草圖。如果草圖看起來有希望，繼續設計。為了在合理的時間和預算內(當時資金有限)達到結果，設計師省略了壹些光學計算，在無法精確計算的情況下使用近似法，使用已經精確掌握特性的光學眼鏡。
當然，塞德爾像差不可能完全校正，設計師將不得不尋求校正的平衡或將其影響降至最低。但即使是這種平衡本身的效果也是有限的。以雙高斯結構為例，設計本身存在壹定的斜球差(OLA =斜球差)，但另壹方面，這種結構可以很好的矯正散光。斜球面像差在徑向比在切線方向嚴重得多。為了平衡徑向的球差，我們需要接受壹定量的3階像差，使LOA在徑向上基本接近切線，但也產生壹定程度的漸暈！是的，非常有趣的現象。事實上，許多設計(無論新舊)都使用暗角作為設計工具。業余鏡頭測試報告經常批評某些鏡頭的暗角現象，卻不知道壹定程度的暗角可以提高成像質量。
最顯著的例子就是Leitz的Noctilux f/1.2。這個鏡頭的暗角比佳能50/1.2更嚴重，但全開時畫質好很多。所以老壹輩的鏡頭設計天才們(Berek，Bertele)走了兩條路:壹是要先造出壹個基本的設計，像差很小並且這個設計是可以修正的。泰莎就是這樣壹個例子，設計師要同時考慮很多其他變量，這是成功設計的第壹步。
下壹步也是更重要的壹步是讓妳的設計有足夠的生產公差。Hektor 2.5/50等老設計太貴，因為生產加工的公差太小。
用戶必須測試幾個不同的版本才能獲得滿意的拍攝效果。這就不難理解為什麽認真的攝影師會選擇不同的鏡頭進行測試和使用，直到滿意為止。為了平衡設計中的不同像差，必須保留壹定量的殘余像差。不是每個設計師都能成功或創造性地找到手頭的最佳解決方案。因此，從30年代到60年代，人們對Leitz和Zeiss的著名鏡頭(真實的或想象的)的味道和特點展開了激烈的爭論。直到今天，光學設計和計算都和用戶的期望不在壹個層次上。
計算機
自20世紀50年代計算機開始介入鏡頭設計(Leitz最早使用計算機進行鏡頭設計，機器名稱為Zuse，德國制造)以來，變化不大。妳可以更快地計算，做更復雜的扭曲光線的方程。
然而，設計缺乏的是對各種像差本身的深刻理解。可以計算和需要計算到鏡頭裏的光線數量呈幾何級數增長。鏡頭數量(以前設計的限制因素:鏡頭越多，計算和改動越多)增加了，更多的鏡頭給設計師帶來了更多的自由。因為有更多的鏡片表面來處理設計，設計師可以更大程度地控制像差。更多的鏡頭也意味著更高的成本，也往往是更少的生產空間。新的徠卡Apo-Tele 3.4/135有五個鏡頭，具有真正的Apo校正能力，但它對光的折射不是無限的。這方面需要更多的鏡頭才能做得更好，但有了它，高質量的成像質量會更難保證，制作的公差也會更嚴格。
借助現代計算機的強大能力和對光學理論的進壹步研究，今天對五階賽德爾像差的認識已經擴展到包括60多種各種像差。設計師不可能隨意操縱鏡頭的很多變量。前置鏡頭的直徑和重量，鏡頭卡口的直徑和光圈的位置通常是固定的，不能改變。
這些限制會影響許多像差的校正。現在對新鏡頭的設計要求越來越高。新的SummiluxR1.4/50需要兩個設計目標:光圈縮小後畫質顯著提升和光圈全開時整個畫面要達到非常好的畫質。這兩個要求，他們的前輩都沒有達到。
現代計算機每秒可以跟蹤計算20萬條射線，各種參數的數量也在不斷增加。對於六個鏡頭的設計，計算機需要很多年才能找到所有可能的結果，所需時間是天文數字——從1開始，後面跟著99個零。
計算機對當今鏡頭設計的重要性在於，它是壹個優化工具，而不是設計工具。
還記得像差方程嗎？在成像之前，我們實際上形成的是壹個擴散區。我們可以確定每條偏離的光線，並計算成像的模糊圓。理解狀態的模糊圈要很小，所有的光和顏色都要牢牢的聚集在壹起。我們可以讓計算機來完成這項工作(比如計算曲率、鏡片需要的厚度、鏡片之間的距離)從而得到最小的模糊圓範圍，用計算機來做這項工作相對來說是省時省力的。然後由設計師來優化選擇。這是電腦最重要的用途。其實大部分光學設計程序都應該叫優化程序，由設計師決定哪些要優化，優化到什麽程度。所獲得的結果被稱為價值函數。優化方案有成千上萬種，我們可以用地圖在三維空間中展示出來——想象妳坐在直升機裏，觀察壹個地方的地形，妳會看到平原、山脈和峽谷。
有的地方高，有的地方低，理論優化方程和那個地形差不多。壹個功績值實際上是地貌的最低點，或者說是峽谷的底部。讓妳的電腦探索該地區，直到妳找到峽谷。壹旦計算機找到壹個峽谷點，它就會停止尋找。妳可以讓它繼續尋找下壹個峽谷底點。
如果妳不熟悉這壹帶的地形(妳不知道優化點，否則可以不借助計算機直接得到優化點)，即使妳已經找到了優化點，也可能壹無所知。
壹個人知道的是，很多不同廠家的鏡頭表現都很好，非常接近，這都歸功於用電腦尋找優化點的結果。所有的計算機都在尋找同壹個點，最終都會找到壹個。壹個帶有粗糙傾向的策略出現了:如果妳沒有找到妳需要的最佳值，妳可以增加鏡頭數量來達到壹個漂亮的MTF圖。妳不能無休止地尋找最優點，這要用幾千年來計算。所以當預算接近尾聲的時候，妳必須停下來，停留在最初的設計上。如果壹個光學設計是非常好的設計，那麽這個設計最後得到的MTF圖是非常漂亮的。但反過來卻不是這樣。好的MTF圖絕不等於好的設計。
所以我們知道徠卡的設計策略:妳需要通過研究光學設計的根源來掌握設計的特點。壹旦妳知道壹個設計是否有潛力，妳就可以明智地指示計算機在優化圖的特定區域搜索優化點，找到妳需要的理想值就停下來。
徠卡透鏡的演變
了解了這些鏡片設計的壹般背景知識，我們就能理解為什麽現代徠卡鏡片得到了改進，在哪些方面得到了改進。從壹開始壹直到上世紀60年代，早期的Leitz鏡片其實都是在對高級像差和玻璃參數不完全了解的基礎上手工設計的。計算機的使用使得更好地校正殘余像差成為可能，但本質上，圖像質量(對於畸變光學)遠遠落後於中心部分(平行光學)。光學設計和產品加工是完全分離的，這導致設計具有非常嚴格的生產公差。
第二代(Vollrath/Mandler時代)的特點是使用優化設計。生產公差的重要性已經引起了人們的重視。優化設計被廣泛用於合理化生產和降低成本。
20世紀70年代和80年代是萊茨為生存而掙紮的時代。R系統的不斷擴展需要設計將生產成本降到最低。徠卡仍然保留著這壹時期設計的壹些最著名的鏡頭。Notilux 1.0/50和Summilux1.4/75至今仍被認為是偉大的設計，可以說是手工設計時代的最後產物。
優化也帶來選擇。現在我們對設計過程有了更好的理解，產品的生產可以更和諧地達到要求的生產公差。以APO-埃爾馬裏特-R 2.8/100為例。如果只看單色像差，還不如早前的4/100。但是在白光方面，2.8/100的進步是巨大的。
現在我們有另壹個問題。每個波長都有自己的圖像平面，具有最佳對比度。但真正的影像平面只有壹個，那就是電影平面。因此，設計者需要在他對光學設計的理解上找到壹個折衷方案，以獲得最佳成像。
80年代末至今的第三代(Kolsch時期)設計，特點是在鏡頭設計的兩大約束:機械精度和可接受的成本中，尋求更優秀的光學設計。在K . K .先生，lsch領導下的設計團隊由壹些非常有事業心的男女組成。對他們來說，光學設計和生產加工的原理完美地融為壹體。比如非球面鏡片的使用，對生產、加工、裝配精度的要求比以前更加嚴格。非球面透鏡是唯壹需要送到Solms檢驗的透鏡。
現代徠卡鏡頭旨在挑戰膠片顆粒的極限。如果說有哪個設計知道原理的話，那就是:低頻空間頻率極高的對比度表現(勾勒物體的能力)和高頻空間頻率的高反差表現(記錄盡可能精細細節的能力)。這種性能本身就不容易達到，需要在全光圈的情況下，像場大部分區域都有這樣的性能。
蔡司和徠卡的區別在於，蔡司側重於高反差對低頻空間頻率的表現，而不是高反差對高頻空間頻率的表現。蔡司補償生產緯度的設計系統在徠卡不可行。徠卡的設計要求隱含著對球面像差和色散的嚴格校正，並要求對透鏡設計的基本原理有深刻的理解——姑且稱之為光學特性。妳可能需要壹年多的時間才能完全理解壹個提議的設計能達到什麽樣的效果。
沒有這種認識，設計師永遠找不到設計的優化功能。
壹個能記錄高頻空間頻率良好對比度的設計，要求的公差很小。最小細節中對比度的再現對聚焦和加工校正的誤差極其敏感。徠卡鏡頭從壹開始就是由光學工程師和機械工程師組成的設計團隊完成的。負責產品生產的工程師說了算:如果設計要求的生產公差不切實際，那麽光學設計師就要從頭再來。在本文的開頭，我提到了通過光學系統的總光能。徠卡的設計師註意到，光流從壹個鏡頭到另壹個鏡頭逐漸放松(最初的徠卡設計師註意到光流從壹個鏡頭到另壹個鏡頭是放松的)。要避免光路路徑的突然變化，例如使用折射率與其他透鏡完全不同的透鏡或曲率變化非常大的透鏡。妳在這裏看到的是壹種禪的方式。這些新的設計原則帶來的驚喜令人震驚:鏡頭清晰地再現了膠片所能記錄的最小細節。即使是全光圈，從畫面中央到整個畫面都能看到這種出色的表現。