雙高斯結構

1817年，才華洋溢的德國數學家、測量地理學、同時也是天文學家Carl Friedrich Gauβ（1777-1855），為了解決哥廷根天文台觀測望遠鏡的像差問題（當時他擔任哥廷根天文台的觀測天文學者），構思出使用兩片新月型鏡片（meniscus-shaped）的組合，一片正一片負，這種組合就是高斯結構的起源。1888年，Alvan G. Clark更發現到用兩對高斯結構「背對背」反方向組合後，也可以成為一種有用的鏡頭，這就是雙高斯結構的概念開始（Double Gauβ）。

基本介紹

• 中文名：雙高斯結構
• 外文名：Double Gauβ

雙高斯結構的概念

1890年，Baush&Lomb公司投資研發Alavn G.Clark這種結構的廣角鏡頭，一直賣到1898年（但是這樣的鏡頭賣得並不好，後來停止生產）。接著有更多的歐洲光學設計人員開始注意到雙高斯結構並開始研發，有的公司的同類產品一直賣到1930年。1930年後，較典型的Double Gauss鏡頭是ZEISS的Topogon廣角鏡（視角約90度）；這顆f/6.3的廣角鏡用於空照用鏡多年，是當時的空照標準用鏡，變形率很低。

最初的雙高斯結構

此後，在第二次世界大戰期間與戰後，掛著各家廠牌的雙高斯結構的鏡頭大量問世，但這些鏡頭其實都是將Baush&Lomb公司的Metrogon鏡頭所改良的雙高斯鏡頭。當時Metrogon的Double Gauss 4片結構的新月型鏡片曲率很大，容易造成鏡片光軸凸向底片，而鏡片邊緣離底片偏遠，而造成畫面照度不平均，產生嚴重的暗角。當時雙高斯結構的鏡頭，需要用中央漸層減光濾鏡來搭配使用，以防暗角。

ZEISS PLANAR的Double Gauβ進化優異點

1896年，Paul Rudolph注意到雙高斯結構可以幫助他設計出更好的鏡頭，因為雙高斯是對稱式的的結構，可以使設計者能減少很多的像差的控制自由度。但是原本的雙高斯4片薄形半月鏡結構，正與負鏡片之間的間隔很大，斜行光線入射的像差（如coma，及astigmatizm像差）會很明顯，即使將光圈縮到f/8都很嚴重。這個問題在Paul Rudolph手中解決了！他把原本薄的新月型負鏡（thin meniscus）加厚，這使得正與負之間的鏡片距離減小，進而降低了斜射光線所造成的像差。

但是雙高斯仍有色差控制問題要解決，Rudolph當時找不到足夠低色散的玻璃來抑制（1896年還沒有高折射率玻璃），但是他發明了一種設計方式來代替。Rudolph的雙高斯結構控制色差的方法，就是將原本加厚的負鏡再分成兩片，然後再膠合起來。這種方法跟上述加厚凹負鏡的兩種改良，是Rudolph版的PLANAR的精髓所在！

這也就是說，雙高斯結構中的負鏡改由一片凸鏡與一片負鏡合二為一整片很厚的雙高斯結構中的負鏡（原來的4群4片變成4群6片）。而這黏合的正鏡與負鏡使用不同色散率的係數玻璃種類（但折射率選擇約相同為1.57），利用其正負相抵的原理使得色散縮減，用以控制色差。其實，這就是Achromat doublet消色差組合的一種運用！Rudolph神奇地想到將此設計放到雙高斯的負鏡片上套用成功。此舉使得原本雙高斯結構設計的缺點改善，保留原有的對稱優點。

ZEISS PLANAR雙高斯結構鏡頭

Rudolph 之後的 Double Gauβ

Rudolph版的PLANAR，在當時當然是相當優異。不過，當時的雙高斯結構並非鏡頭設計主流，早期的PLANAR仍有些嚴重的缺陷，因為使用了相當多的空氣透鏡，在沒有鍍膜的情況下，有嚴重的耀光鬼影，起始光圈也無法加大。所以ZEISS並未重視，擱置甚久。後來在1902年，Paul Rudolph又設計了較為簡單，能符合當時生產標準的的TESSAR來因應。

儘管如此，仍有不少光學廠商持續研究與改良。1920年時，Taylor-Hobson公司的Horace. W. Lee發展出與Rudolph不同的設計手法。Lee與Rudolph不同，他採用了折射率較高的冕玻璃，而Rudolph當年是用低折射玻璃，兩者的差異是Lee的設計可以將鏡頭的光圈推到f/2。

在Lee之後，其它的光學設計者也紛紛採用Lee的設計概念，進而衍生出更多的Lee版的雙高斯結構。1925年Schneider推出Xenon f/2、1927年ZEISS也推出Biotar 50mm f/2。1931年，Lee更成功地研發出f/2的高速電影機鏡頭（Speed Panchro），而成為好萊塢電影廠的標準配備。當時類似Lee這類的4群6片大光圈雙高斯設計的鏡頭廠商也陸續出現。

時至今日，幾乎所有的大光圈雙高斯鏡頭都是Lee的設計呢！

非對稱 Double Gauβ 的發展

1930年代許多如PLANAR架構的對稱式雙高斯結構，陸續改為非對稱式設計，主要原因就是為了修正大光圈時所產生的像差。非對稱雙高斯的變化種類很多，但整體結構依舊是雙高斯，有的將原本黏合的鏡片開始分離，有的將原本一片正凸鏡分由兩片正凸鏡來分擔，各種套用都有。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等等的系統。變形雙高斯歷史悠久，這些非對稱的雙高斯結構都是為了改善最大光圈時的素質所設計的。

到了21世紀的今天，各家光學廠商關於雙高斯鏡頭設計且登記有案的專利已超過300件，其它沒登記專利的變化形可能更多，可見其子孫繁多，現今看到的大光圈鏡頭多數都是非對稱的雙高斯結構，有的如f/1甚至0.95的都是此設計。

LEICA在雙高斯結構上的成就

LEICA在雙高斯結構的成就上是有目共睹的。自從H. W. Lee發展高折射率玻璃組成的雙高斯鏡頭後，各家廠商無不摩拳擦掌，打算製造更大光圈的高速鏡頭，但其中的關鍵技術—高折射率玻璃，卻是LEICA的驕傲！LEICA玻璃研發部陸續成功的研製出當時連Schott廠都沒有的超高折射率玻璃的鏡片及煉製程式，使設計人員的夢幻鏡頭得以實現，超高速大光圈低暗角等等的鏡頭也相繼推出，在雙高斯結構的後期發展，LEICA的成就可說是空前的。