蔡司史（四）· 复消色差和萤石的秘密

​本文在2023年3月18日首发于微信公众号“Ale的摄影防潮箱”。本文所据，多为一手原始史料​。

看过

一文的读者知道，这是柯达在1946年《生活》杂志上投放的稀土玻璃广告，展示了玻璃对光的折射，以及玻璃对不同颜色光的不同偏折能力。[1]

绝大多数光学玻璃，对红光的偏折能力弱，对蓝紫光的偏折能力强。这会导致白光穿过镜片之后，变成彩色光带。

1671/72年2月6日，牛顿 (Isaac Newton, 1642—1727) 给奥尔登堡 (Henry Oldenburg, 约1619—1677)写信说：

通过棱镜实验，牛顿发现白光是由多种色光组成的，而不同色光（波长）拥有着不同的折射率，这就是色散 (Dispersion)。不同波长的光会聚焦在不同的焦点处，这就导致了色差 (Chromatic Aberration)。

色差会使像质劣化，影响清晰度，人们一直在期待消色差物镜 (Achromat Objective) 的诞生。

牛顿在研究了水的色散后，发现其与冕玻璃相同，便认为所有材料都具有相同的相对色散 (Relative Dispersion)。如果属实，那么透镜系统的色差就是无法校正的。牛顿比较草率地得出了这个结论，错判了折射望远镜的死刑。

几乎和牛顿的光学研究同时，英国玻璃商人乔治·拉文斯克罗夫特 (George Ravenscroft, 1632—1683) 在玻璃中掺入氧化铅，获得了折射率更高、色散也更大的火石玻璃 (Flint Glass)。其因特殊的光学特性，看起来闪闪发亮，如同水晶，所以也被称作铅水晶玻璃 (Lead Crystal Glass)，多用做容器和装饰品。为此他还向英王查理二世申请了一项专利，于1681年到期。

经过了半个多世纪，在1729到1733年间，爱好天文的英国律师霍尔 (Chester Moore Hall, 1703—1771) 发现了消色差的秘密。

如果用冕玻璃做凸透镜，将光线弯折以达一定的聚焦能力；再用火石玻璃做凹透镜，对光线稍稍反向弯折。而且由于火石玻璃色散程度更大，所以可以大致抵消部分色差，却不会对整体聚焦能力产生太大影响。

霍尔没有亲自磨制镜片，而是委托光学制造商代工。他的望远镜头不仅校正了色差，还校正了球差，焦距为20英寸，孔径超过2.5英寸，相对光圈超过1 : 8。[3]双胶合消色差 (Achromatic Doublet) 的设计非常成功，可以针对两个波长进行校正，在18世纪后半叶逐渐普及，推动了所有光学领域中透镜系统的发展，和对玻璃及其色散特性的研究。

然而，那时双胶合设计的消色差程度有上限。它虽然可使两个波长的焦点重合，但似乎不可能对第三个波长的焦点进行校正，这两个焦点之间的偏差，被称为“二级光谱”(Secondary Spectrum)。无论人们搭配什么样的冕玻璃和火石玻璃，二级光谱几乎是一个恒定的量——大约等于焦距的两千分之一。

二级光谱之所以难消除，这是由玻璃的物理特性决定的。在1886肖特玻璃厂第一份产品目录问世之前，光学设计师唯一能用到的玻璃就是冕玻璃—火石玻璃。

如果以冕玻璃的原料为基础，逐步增加氧化铅，就可以得到火石玻璃，玻璃的色散也会近比例地增加。所以在19世纪80年代之前的光学玻璃，基本都分布在上图Crown-flint 线的附近，无论当时人们怎样搭配两种玻璃，二级光谱的大小都是几乎不变的，几乎恒等于焦距的两千分之一。（可参见章佳杰：《光学系统像差杂谈（7）：跌宕起伏的斑澜路》）

但天无绝人之路，有一种天然的材料不仅具备极低的色散，阿贝数高达95，还具有异常的部分色散，它就是萤石 (Fluorite)，主要成分是氟化钙 (CaF2)。

如果用萤石搭配合适的火石玻璃，就可以大大减小二级光谱，针对三个波长进行校正，实现“复消色差”(Apochromat)。

较早对萤石进行科学测量的有奥地利科学家约瑟夫·斯特凡 (Josef Stefan, 1835—1893)。1871年，他在维也纳科学院公报上发表了自己对萤石的光谱测量结果，引起了蔡司光学厂的科学家阿贝 (Ernst Abbe, 1840—1905) 的注意。[4]

阿贝后来在1890年也公开说，斯特凡在1871年发表的萤石光谱测量数据，早就让人知道了萤石消色差的巨大潜能。在1880年及之后，阿贝也让助手里德尔 (Paul Riedel, 1852—1909) 测量了萤石的光谱数据，和史蒂芬的结果相差不大。如果能将萤石或接近萤石性能的玻璃应用于显微镜设计，必将获得极大的突破和成功。阿贝进一步说：

肖特也在1888年说：

据说，肖特还编过一首歌，展现玻璃熔炼的困难，歌词的大意是：

大规模生产含氟光学玻璃遇到了极大困难，以至于迫使阿贝直接使用天然萤石。他公开说：

加之1886年7月，肖特玻璃厂的第一份目录问世，光学玻璃有了里程碑式的进步发展，阿贝得以将萤石和新型玻璃结合，制造出复消色差的显微镜。7月9日，阿贝在耶拿医学自然科学学会进行报告，在报告中，阿贝宣布采用新型肖特玻璃的显微镜，已经消除了二级光谱，实现了比以往更高阶的消色差。为了与旧有的消色差镜头区别开来，阿贝首次提出了“复消色差” (Apochromate) 的概念。[8]8月，蔡司工厂印发了一份目录：《用玻璃技术研究所的特殊玻璃制作的新显微物镜和目镜》(Neue Mikroskop-Objective und Oculare aus Special-Gläsern des Glastechnischen Laboratoriums (Schott & Gen.))，其中就包括“Apochromat (复消色差)”系列显微镜。

在这之前，还从未有人将天然萤石用于实用光学仪器之中。对此，阿贝曾在1888年7月3日给朋友费伦伯格 (Edmund von Fellenberg, 1838—1902) 写信解释说：

阿贝在1890年同样也公开说过：

在自然界中，萤石的分布非常广泛，其来自火山岩浆，从中分离出的气水溶液含氟，在溶液沿裂隙上升过程中，溶液中的氟离子和周围岩石中的钙离子结合，形成氟化钙，冷却结晶后形成萤石。所以萤石是一种晶体，而玻璃是非晶体，二者存在本质区别。由于萤石的晶体结构特殊，很容易被其它金属离子填充，所以萤石的颜色极为丰富多变，如绿色、紫色、黄色；而且萤石质软且脆，具有完全解理的性质，大多内部有很多裂纹。所以，纯净无色、无杂无裂、体积较大、适合光学生产的萤石，极少极少。

阿贝四处打听，亲自调查，寻找纯净的萤石。1886年夏天，阿贝在拜访萨克森州弗莱贝格 (Freiberg) 的矿物检察员 (Mineralienfactor) 瓦普 (B. Wappler) 时，看见了一些纯净萤石，遂问其来源。瓦普说，这是自己多年前用萨克森的矿物，和瑞士伯尔尼 (Bern) 的山地工程师费伦伯格 (Edmund von Fellenberg, 1838—1902) 交换得来的，他还正确指出，这些萤石是从瑞士伯尔尼州的下哈斯利塔尔 (untere Haslithal) 发现的。阿贝得知后，立即赶往瑞士拜访费伦伯格，并给他看了一块纯净透明的萤石，问他在瑞士，哪里能够找到这样的矿物。费伦伯格立刻认出，这块纯净的萤石出自伯尔尼州，阿尔卑斯山脉的奥尔切伦山 (Alp Oltscheren)，更准确地说，出自布里恩茨维勒 (Brienzwyler) 以南的奥尔切科夫峰 (Oltschikopf，海拔2235米)，并向阿贝展示了伯尔尼博物馆展出的样品。

原来，在1830年，一些当地人在奥尔切伦山的奥尔切科夫峰脚下的碎石坡中，发现了一种闪闪发光、极为纯净的矿物碎片，他们自然而然地以为是水晶。在几乎垂直的悬崖面上，可以看见一个岩洞，周围都是光滑而陡峭的石灰岩板。人们立即断定，这种透明的矿物就出自那里。他们克服重重困难，冒着生命危险，架起几架梯子后，成功到达了岩洞。岩洞垂直很高，里面都是粘土，还有大量白色的、透明的、灰色的、绿色的萤石，而不是水晶。他们认为自己发现了宝藏，并开采了大量的萤石，四处兜售，甚至去了意大利。这些萤石有的像纯净的冰块，但大多数都灰暗无光、发绿。1830年后，再也没有人去过这个萤石洞穴，虽然它孕育的宝藏还在瑞士和其它国家流转，而对这一发现的记忆也已淡化，没有人知道具体的地点，地质学家也从未去过。

半个世纪后，阿贝决定一试。1886年8月，阿贝到达伯尔尼，但没有什么收获，便委托哈斯利塔尔的几位矿物探寻人，在奥尔切伦山寻找萤石，然后自己返回了耶拿。

在1886年深秋或1887年春天，萤石探寻人对奥尔切伦山区进行了积极的调查，成功找到了原来的岩洞，还架起了梯子。不仅如此，他们还发现了一个新的地点，有着许多绿色晶群和完整的萤石单晶，极为美丽。1887年初夏，第一个探寻人来到伯尔尼，向自然历史博物馆出售了许多华美的晶群，别的人也在售卖这些萤石。

费伦伯格惊讶地发现，阿贝用了大量的金钱支持探寻人的调查，但他们却将这些萤石卖给了其它地方。费伦伯格向探寻人仔细询问后才知道，阿贝并没有和他们签订任何约束性协议，他们只要把无色萤石提供给阿贝就行，有色萤石自己可以随意处置。但费伦伯格还是认为有必要通知阿贝一声。阿贝于1887年6月26日在耶拿回信说，自己完全承担了探寻萤石的费用，高达900多法郎，他们在1886年11月给自己寄过一次不少的萤石，前不久又寄了一次，呈不规则状，被水或冰严重腐蚀，大部分没有任何结晶的迹象。而且可惜的是，所有萤石中都密布着微小的气泡，要想获得纯净的小块，只能费大力气将其分离出来，几近不可用。不过目前，阿贝自己还在等待进一步的探寻，希望能找到可用的萤石，至少在平均纯度上要与1830年发现的等同，否则，就不得不再次放弃预期的光学应用。

1887年夏天，越来越多美丽的萤石在市场上流通，布里恩茨维勒政府终于意识到，奥尔切伦的萤石实际上是她的财产，应当由自己盈利，随即在当地报纸上发布禁令，禁止开采或勘探有用矿物。

起初，四处的盗掘都在秘密进行，但其中一名被当场抓获，并处以高额罚款，开采暂停了一段时间。期间，布里恩茨维勒政府和蔡司公司就租用萤石矿或联合开采进行了谈判。据报道，以蔡司公司为首的资本财团和布里恩茨维勒政府签订了一份租约，为期5年。根据协议，“蔡司、阿贝公司 (Zeiss, Abbe & Co.)”获得布里恩茨维勒辖区所有萤石矿床的独家开采权利，而布里恩茨维勒政府保留派代表监督的权利，代表为一名或两名本地男性，最好是市议员，负责亲自监督所获萤石的分类。矿长由蔡司公司聘请，有权仔细检查所有开采的萤石，还有权将其分解成小块，以获得适于光学生产的萤石。所有不适于光学用途的萤石，均由布里恩茨维勒政府处理，作为租金的一部分。

1888年初夏，蔡司公司开始在奥尔切伦山工作，并聘请耶拿的卡勒 (Kahle) 担任矿长，阿贝也前去了。在一张邮戳为1888年6月6日的明信片上，阿贝的妻子伊莉丝 (Elise Abbe, geb. Snell, 1844—1914)写给阿贝朋友舒茨 (Harald Schütz) 的妻子说：“我丈夫为了他的石头，已经去瑞士14天了。”[10]

7月3日，阿贝在瑞士迈林根 (Meiringen) 附近的赖兴巴赫 (Reichenbach)写信给费伦伯格说：

7月9日星期一，阿贝给好朋友舒茨写明信片说，第二天肖特博士夫妇想一起来这里过几天，所以不能在周六之前离开，而下周一又必须回耶拿，所以他可能只得在法兰克福待一天，和这位老朋友见见面。阿贝还抱怨天气说：“我很好，就是天气坏到难以想象。从上星期四开始，我就在海拔1700的山上忍受瓢泼大雨，一同来的还有6名工人，一位助手。”[11]

9月26日星期三晚上，又一次来瑞士的阿贝给舒茨写明信片说：“昨天我在倾盆大雨中驱车进入瑞士-卢塞恩，但今天，我在晴朗、温暖的天气里度过了一段非常愉快的旅程……如果一切顺利，我明天早上会上山——我的靴子已经钉好了。这里车还挺多，和七月中相比，山上已经没有了积雪，也非常适合远足。如果天气一直好的话，我可能会一直待到下周中。”[12]

就这样，阿贝经常离开耶拿，为了萤石，四处奔波。不止是奥尔切伦山，他还到阿尔卑斯山脉的其它地点寻找萤石，例如现意大利博尔扎诺 (Bozen) 附近的拉本斯坦 (Rabenstein)。阿贝在1889年4月30号给当地的矿山老板威尔伯福斯 (E. Wilberforce) 写信说：

几个月后，阿贝再一次去了瑞士的奥尔切伦山。

1889年8月30号，阿贝给舒茨写信说：

似乎，已经不能再指望奥尔切伦山能出产更多的纯净萤石了。但还好，拉本斯坦的矿山也在为蔡司公司提供萤石。1889年12月16日，阿贝以卡尔·蔡司公司的署名，向矿山老板威尔伯福斯写信说：

自从1884年蔡司工厂开始获取天然萤石制作显微镜，到1886年“Apochromat”复消色差显微镜发布，再到1889年，阿贝一直四处奔波联系，采购萤石，探寻矿产，但他还一直没有公开透露，复消色差显微镜使用了萤石。传说：

例如在1886年7月9日，阿贝以《新型光学玻璃对显微镜的改进 (Ueber Verbesserungen des Mikroskops mit Hilfe neuer Arten optischen Glases)》为题，在耶拿医学自然科学学会进行报告，宣布采用新型肖特玻璃的显微镜，已经消除了二级光谱，在报告中，阿贝就没有提及萤石。[17]

实际上，阿贝曾在1888年7月3日专门给费伦伯格写信，“履行早先的承诺”，详细地介绍了萤石在显微镜中的作用，这在前文已有直接引用。阿贝同样坦白，1886年《新型光学玻璃对显微镜的改进》一文并未提及萤石的使用，他解释说：

1889年，阿贝就为此撰写文章，作为1890年《仪器学》期刊 (Zeitschrift für Instrumentenkunde) 的首篇发表，题为《关于萤石的光学用途》(Ueber die Verwendung des Fluorits für optische Zwecke) 一文，前文已多次引用。[18]

在这篇文章中，阿贝详细介绍了萤石的光学特性，对色差校正的关键作用，以及肖特博士熔炼含氟玻璃，自己去瑞士探寻萤石的大致过程。在文章的末尾他说：

也许是阿贝说中了，大约十年后，奥尔切科夫峰又发现了萤石，从档案中还可以发现一张阿贝手写的合同草稿，日期是1899年9月25日。阿贝计划以卡尔·蔡司基金会授权代表的身份，代表卡尔·蔡司公司与布里恩茨维勒政府签订合同，获得该政府辖区内，奥尔切科夫峰地区萤石和方解石的独家开采权，并可以开采在那里发现的其它矿物。作为回报，阿贝计划在合同签署后，立即支付500法郎的现金，并对带走的每公斤矿物，缴纳6法郎的税款。而且在1900年春以前，此山只许勘探，不得开采。[19]

但这份合同最后是否成功签订，蔡司公司从中盈利几何，内有天然萤石的复消色差显微镜销量多少，限于资料，今天的我们已经无从得知。虽然纯净可用的天然萤石极少，但不代表没有萤石，就不能实现复消色差。阿贝和同事鲁道夫 (Paul Rudolph, 1858—1940) 曾设计出复消色差的摄影镜头Triplet，并由蔡司公司于1890年4月3日申请专利，即德国专利DE55313。

这就是蔡司Series VI Triplet F/6.3系列，是蔡司最早的镜头系列之一，于1890年发布，有两个子系列，Achromat (消色差) 和Apochromat (复消色差)。前19支蔡司摄影镜头都属于这个系列，第1到第6支为190mm，第7到第12支为150mm，第13到第19支为250mm，特别值得纪念的是，第一支蔡司摄影镜头制造于1890年3月12日。[20]

这些摄影镜头虽然实现了复消色差，但并没有使用萤石。因为摄影镜头所需材料的块体比显微镜物镜大得多，相比显微镜物镜也更便宜，不可能使用天然萤石，而且肖特玻璃厂的新型光学玻璃已经可以在一定结构下，支撑复消色差的实现。实际上，从未有摄影镜头使用过萤石，特别是天然萤石，直到1969年5月，背靠小原玻璃厂的佳能发布FL 300mm F/5.6 FLUORITE，这支镜头就是第一支使用萤石镜片的摄影镜头。

图片注释

{1} Fluorite lenses: Corrective capabilities beyond the limits of ordinary optical glass, Canon Camera Museum.

{2} Louis Figuier, Vies des savants illustres du XVIIIe siècle, Paris: Lacroix, Verboeckhoven, 1870, p.31.

{3} H. W. Turnbull ed., The Correspondence of Isaac Newton, Vol.1, Cambridge: Cambridge University Press, 1959, p.107.

{4} Achromat Lens.

{5} R. Kingslake, A History of the Photographic Lens, Academic Press, 1989, p.76.

{6} 1889年蔡司第28号价目表。

{7} Henk Kubbinga, “Ernst Abbe’s research program (1878-1886),” Wiley Analytical Science, Nov. 8, 2021.

{8} Siegfried Czapski, Theorie der optischen Instrumente, nach Abbe, Berslau: Eduard Trewendt, 1893, S.245.

{9} 巴伯杯。

{10} 费伦伯格的肖像，约1860年。

{11} DE55313.

{12} J. M. Eder, „Neue photographische Objective von C. Zeiss in Jena,“ in Photographische Correspondenz, Bd. 27, 1890, S.357.

{13} 蔡司1891年法文版摄影镜头目录。