【ZT】探访电影镜头厂

今天没货

作者：邓 东

按：今天，电影制作正从胶片时代向数字时代过渡。无论是前期的摄影机，还是后期的洗印厂、剪接台，原有的胶片设备都将渐渐淡出它们叱咤多年的舞台。而在众多胶片时代的设备里，却有一样不受王朝更迭的影响，依然能在数字时代继续绽放它瑰丽的光芒，那就是电影摄影机镜头。
当前电影工业中有四大镜头品牌，分别是德国蔡司（Zeiss）、英国库克（Cooke）、法国爱展能（Angenieux）、美国潘那维辛（Panavision）。它们为全世界电影观众带来了精美绝伦的视觉享受；它们做工精湛，品质超群；它们产量极低，售价昂贵；它们专注业界，不出消费产品；它们的神秘在江湖上被口口相传。于是，带着好奇心，我们将去它们的娘家串串门儿，听听它们背后的故事，看看那些镜头都是怎样炼成的。。。
以下文字摘译自《Film and Digital Times》杂志。

英国库克（Cooke）
从伦敦向北，经两小时车程，就到达了莱斯特市（Leicester）。这里是狄更斯时代的工业革命发祥地。库克厂就坐落在这座革命之城的郊区。走进工厂，首先映入眼帘的是满墙的电影海报。门厅的所有墙面几乎都被海报覆盖了，而且大部分是我们熟知的电影，例如达芬奇密码、哈利波特与火焰杯、哈利波特与阿兹班的囚徒、天堂王国、铁拳男人、007皇家赌场、断背山、慕尼黑、翻译风暴、锅盖头、现代启示录、巧克力情人……数不胜数。很显然，这里的人们非常喜欢电影，而且他们尤其以那些用库克镜头拍摄的电影为傲。
帕特韦伯（Pat Webb）是库克的材料员，负责管理库克厂的材料进出和仓储。他已经在库克工作了42年，去年一年他看了250部电影，由此可见库克人对电影的热爱。
一块平板玻璃让光线笔直通过，而一点水珠的弯曲表面却让人观察到了另一个世界。经过几个世纪，水珠弯曲的表面最终变成了光学设计中的各种公式。其实，镜头设计是纯粹的数学工作。通俗地说，也就是如何把影像弄进摄影机的小片窗里。想像一下，要把24英里宽的景象，清晰地记录在24X18mm（35mm电影画幅）的胶片上，其镜头设计的难度不亚于一个大尺寸天文望远镜。

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我们先把时光追溯到1885年，英格兰，莱斯特市。当时这里是工业革命的硅谷，蒸汽机推动着火车，也推动着工厂。这个城市生产纺织品、日用品，当然还有其他一些的东西，比如镜头。威廉泰勒（William Taylor）和托马斯泰勒（Thomas S Taylor）两兄弟在这里创建了一个生产光学仪器的公司。

泰勒兄弟堪称机械天才，当他们还在伦敦读书的时候，就建了一个小工作室，用自制车床开发光学设备。1881年，泰勒兄弟造了一台神奇幻灯机（Magic Lantern，右图）。这台用黄铜和木头造的幻灯机能放映玻璃底片上的影像。它实际上更像是两台叠在一起的独立幻灯机，当一台放映时，另一台可以换片，然后再轮换，这样播放效率就比较高。它的用途相当于我们今天的PPT演示。现在这台机器摆在莱斯特市的斯尼伯顿博物馆（Snibston）里。

1887年，威廉赫伯逊（William Hobson）加入泰勒兄弟的公司，负责销售，从此公司改名做TTH（Taylor，Taylor & Hobson）。

1894年，约克市的望远镜制作商TCS（T. Cooke & Sons）将三片三组镜头技术授权给TTH。该技术很好地解决了镜片边缘成像不清晰的问题。于是，第一枚库克镜头就在这年诞生了。

随着电影工业的兴起，库克开始专注于电影摄影机镜头的生产。在20世纪的前50年间，几乎所有的好莱坞电影都是用库克镜头拍摄的。而库克也对镜头科技有显著的贡献，例如1921年，库克研发了第一枚F2.0大光圈镜头；1936年，研发了第一枚变焦镜头。

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泰勒两兄弟分别在1937和1938年离世，公司更名为TH（Taylor & Hobson）。1945年，它成为瑞克集团（Rank）名下的子公司。瑞克集团是由亚当瑞克（Arthur Rank）创建，他是英国商业巨贾，发家于宗教电影的拍摄，拥有着英格兰近半数的电影院和大部分制片公司。

到了90年代初，瑞克集团大大缩水，镜头生产部门不受重视，库克面临前所未有的危机。当年的报纸曾这样描述库克的窘况：“这里日渐衰败，海鸟的毛都快从屋顶的窟窿里飘进来了”。

1998年，一位“穿牛仔裤，黄衬衫，系红领带，留着胡须”的美国人带着一个商业计划来到库克，从此这家公司翻开了新的一页。这位仁兄就是库克现任掌门莱兹齐兰（Les Zellan）。

今天的库克公司有约70名研发和制造人员。跟其他光学企业不同，库克只专注于电影镜头的研发制造，不涉及其他用途的镜头生产。目前库克的主要产品是Cooke S4/i 系列镜头。一枚S4镜头的全部生产工序需耗时40小时。下面，我们就来看看一枚库克镜头是如何造出来的。

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这次对库克的报道，是多年来媒体被首度允许带着照相机在库克工厂内进行自由采访和拍摄。对于电影业界而言，这个创造过无数奇迹的公司既神圣又神秘。

电影摄影机镜头制造有如科技中的艺术。对一枚电影镜头的要求，不仅要能在拍摄过程中柔滑地对人物和各种景物进行对焦，而且要求其操作的结果跟镜头上的刻度完全吻合。

镜头制造首要材料是玻璃，纯净的无气泡的光学玻璃。目前库克的玻璃材料主要来自德国肖特玻璃厂（Schott）和日本小原玻璃厂（Ohara）。在库克镜头群中，所使用的玻璃有70种之多，每种玻璃的折射率和化学成分都不一样。玻璃材料是玻璃厂根据镜片设计供应的，送来的玻璃已经是形状接近的镜片坯。但厚度比最终尺寸厚大约1mm。镜坯的表面是粗糙的，就像一块毛玻璃。需要用研磨剂（例如铈氧化物）对其进行打磨才能令其表面变得光洁。打磨的过程，就是把镜坯的表面变成设计曲面的过程。在库克的打磨工序中，既会用到先进的数控机床，也会用到有近百年历史的老式研磨机。

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把玻璃镜坯的表面研磨成设定的光学曲线，几乎是一个光学公司最重要的核心技术和商业机密。

镜头设计汇集了数学、物理、化学等多种学科。当年泰勒兄弟的时代，镜头设计都是在纸面上完成的。

后来，那些设计文稿被装订成册，成为参考资料。这些古老的文献，至今仍摆放在库克的设计室里以供查阅，并不时给设计人员带来启发。当然，今天的镜头设计已经全部在电脑上完成。

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在设计室里，库克的总工程师大卫.内特顿（David Nettleton）先生用一种无比震撼的方式向我们展示了S4镜头卓越的机械性能，他毫不留情地把镜头从1米多高扔到了地上！然后再告诉我们镜头毫发无损（看文章的你千万不要模仿）。大卫的儿子保罗.内特顿（Paul Nettleton）也已经是库克的设计人员。这种上阵父子兵的组合为高科技的镜头制造增添了几许古老传承的色彩。



如果用一句话概括镜头构造，那就是：“镜片前进或后退，让景物聚焦在焦平面上”。

一个镜头有若干片打磨好的镜片构成，一个镜片的单位术语就是“片”。每片镜片主要的指标包括：直径、厚度、方向、曲度等等。

镜片被排列安装在金属镜筒内。镜片的安装要求非常坚固，镜筒的运动不但要柔滑，而且成像结果的精度要与镜筒外的刻度保持一致。除此之外，在机械方面，一枚镜头要能承受经年累月的使用，应付极端温度下的工作，还有机械碰撞，遭遇飘雨，以及各种令设计者崩溃的恶劣挑战。

机械部分的运动精度是保证镜头操作精度的关键和基础，只有机械部分运行精准，镜头操作的结果才有可能跟镜头本身的刻度一致。库克近年推出的i系列智能镜头，就是通过内置的传感器，感知镜筒内机械的运动情况，从而输出光圈、焦距、对焦距离等数据。

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磨制镜片的第一步，是用数控机床将玻璃镜坯切割成预订的直径。在后续磨制工序中，镜片都将保持这一直径，直至最后成形时的磨边工序。



同时，数控机床会对镜坯进行成形研磨，打磨出镜片两面的光学中心，曲面和厚度。数控机床除了能磨球面镜片，也能磨非球面镜片。一台数控机床每15分钟磨制一枚镜片，这有点像用微波炉每15分钟加热一份快餐。

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接下来的工序是细磨，或称抛光，就是将镜片表面的曲线打磨得更平滑。这道工序库克使用的是所谓的D型研磨机。这种机器造于1913年，它有6个研磨架，每8小时能研磨120片镜片。这种本应在博物馆里展出的机器，至今仍精确而稳定地工作在生产一线，这本身就是个奇迹。



镜片被放置在蘑菇型的黑色沥青支架上。半球形的研磨罩以缓慢的速度将铈氧化物研磨剂随机地涂抹在镜片表面。研磨技师会定期为研磨罩添加研磨剂。在同一个研磨架上，可以安放不同的镜片，同时进行抛光研磨。

经过抛光，镜片表面已经形成了设计的曲面，镜片的研磨就完成了。

也许正是因为这种延续了近百年的研磨工艺，给了现代科技下的库克镜头一种与众不同的特质。

球面镜片的表面是一个固定曲度的球面，而非球面镜片的表面则是不同曲度的球面的组合。比如右图这片非球面镜片，中心的曲度就跟边缘的不同，这种设计能有效地消除镜片边缘的成像畸变，而且在同等光学素质下，非球面镜片的体积和厚度比球面镜片要小。在库克CXX 15-40mm变焦头和SK4 6mm定焦头等镜头上都使用了非球面镜片。

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镜片研磨之后，下一道工序是镀膜。英国制造业有句老话：“你造不了你无法测量的东西”。因此，库克镜头的全部生产工序都是能测量的，研磨、抛光、组装，当然也包括镀膜。通常任何玻璃表面都会有4%的光反射率，也就是4%的光无法通过玻璃。假设一枚镜头有22片镜片，那么就是44个反射面，如果每面反射掉4%的光，这镜头基本上就是个墨镜了。



库克镜头的镀膜能将光线反射消减至0.1%。这种膜是通过硅和钛的共同作用，将含镁的氟化物覆着于镜片表面。具体成分我们不得而知，我们只知道这种膜的厚度仅有1纳米。

镀膜完成之后，要对镜片进行最后的磨边。磨边完成，镜片就是最终的安装尺寸了。右图就是镜片磨边工序。
磨边完后还有一道工序，是把镜片的边缘涂黑。因为镜片的边缘也同样是一个反射面，反射的光会对画质构成影响，涂黑的目的是吸收射到边缘的光，尽可能降低边缘的反射率。这道工序是手工操作的。把镜片放在一个喷漆架上，然后用喷枪在镜片的边缘均匀喷涂上黑色环氧漆。喷漆完成，一片镜片就完工了。

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接下来，就要把镜片安装到镜筒里。这道工序在装配室完成。

一枚库克镜头，有10到14片不等的镜片，以及大约60个机械部件组成。镜筒是阳极化处理的铝合金材料。镜片组被固定在著名的库克轮架（Cooke Cam）上。轮架是一个带有凸轮的镜箍，凸轮与外围镜筒的轮槽契合，这样轮架就带着安装在它上面的镜片沿着轮槽路径移动。这种凸轮式的镜筒移动方式，比螺纹式镜筒的摩擦要小得多。库克镜头中的凸轮是用聚合树脂制造的，这种材料非常坚固，它能让镜筒在-25℃到55℃工作环境下柔滑运动，而且完全不需要任何润滑剂。