照相機(jī)鏡頭發(fā)展及設(shè)計(jì)李威

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文照相鏡頭的研究進(jìn)展摘 要對照相機(jī)來說，鏡頭是其最基本的元件之一，也是最重要的物理元件?？v觀照相機(jī)的歷史，鏡頭一直是相機(jī)的精髓所在，即使相機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展這么長時(shí)間，也依舊沒有什么能用來取代相機(jī)的物理光學(xué)鏡頭。最近幾年，隨著現(xiàn)代照相鏡頭技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了照相鏡頭技術(shù)的發(fā)展，而照相鏡頭技術(shù)也是現(xiàn)代光電子高科技產(chǎn)業(yè)的典型代表。在對國內(nèi)外照相鏡頭的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)地介紹和分析之后，介紹了照相鏡頭的成像原理，闡述了鏡頭成像的像差分析方法以及像質(zhì)評價(jià)方法，最后，詳細(xì)地介紹了長焦連續(xù)變倍鏡頭設(shè)計(jì)的原理、系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的選擇、并應(yīng)用ZEMAX軟件進(jìn)行了鏡頭的優(yōu)化、系統(tǒng)分析、并應(yīng)用軟件

2、的光線特性曲線圖、點(diǎn)列圖、以及MTF圖分析了該鏡頭的成像質(zhì)量，最后得出了本論文的結(jié)論。并對今后照相鏡頭的發(fā)展提出了系統(tǒng)的改進(jìn)方向。關(guān)鍵詞：照相機(jī)鏡頭；ZEMAX；像質(zhì)評價(jià)Development of camera lensAbstractTo camera, the lens is one of its most basic components, also the most important physical component. Throughout the history of the camera, the lens has been the essence place of cam

3、era, even if the camera industry develops so long time, it remain have no what can come to replace the physical optical lens of the camera. In recent years, the modern imaging technology grows so fast that it forms an industry, which is also a typical representation of the Hi-Tech optical and electr

4、onic. The research technique discusses how to design a consciously zooming lens unit with long focus, for details, there are how to carry out the optical and structural design of and how to ensure the design to achieve the requirements at the same article mainly. And apply ZEMAX software to carry on

5、 a lens of excellent turn, system analysis, and applied the ray characteristic curve diagram of software and ordered row diagram, and MTF diagram to hard analyze the lens of become be like quality, end get correspond of conclusion. And the last to the lens of the camera put forward a system improvem

6、ent direction.Keywords: camera lens; ZEMAX ; image quality evaluation不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- II -目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的目的及意義11.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展11.3 本論文研究的主要內(nèi)容21.4 本章小結(jié)2第2章 照相機(jī)鏡頭綜述32.1 照相機(jī)概述32.2 照相機(jī)鏡頭的分類42.3 相機(jī)鏡頭中的光學(xué)特性及應(yīng)用62.3.1 照相機(jī)鏡頭的像差62.3.2 照相鏡頭的光學(xué)特性92.4 相機(jī)鏡頭的新技術(shù)102.5 相機(jī)鏡頭的保護(hù)12第3章 f 70-210/4-5.6變焦距照

7、相鏡頭的分析133.1 變焦距照相鏡頭原理概述133.1.1 調(diào)焦的意義與方式133.1.2 調(diào)焦的性能指標(biāo)133.1.3 調(diào)焦模式143.2 變焦距照相鏡頭的種類和特點(diǎn)143.2.1 變焦距照相鏡頭的種類153.2.2 變焦距照相鏡頭的特點(diǎn)153.3 變焦距照相鏡頭的設(shè)計(jì)173.3.1 變焦系統(tǒng)工作過程和對它的基本要求173.3.2 變焦過程中的幾個(gè)重要規(guī)律173.3.3 變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程173.3.4 f70-210/4-5.6變焦距照相鏡頭的基本參數(shù)及主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)183.3.5 f70-210變焦距照相鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)183.4 鏡頭像質(zhì)評價(jià)203.4.1 是否存在離焦現(xiàn)象203.4.

8、2 像差曲線及傳遞函數(shù)曲線分析21結(jié) 論23致謝24參考文獻(xiàn)25附錄A 英文原文27附錄B 中文譯文32- IV -第1章 緒論1.1 課題研究的目的及意義照相機(jī)利用光的直線傳播性質(zhì)和光的折射與反射規(guī)律，以光子為載體，把某一瞬間的被攝景物的光信息量，以能量方式經(jīng)照相鏡頭傳遞給感光材料,最終成為可視的影像。照相機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)是按照幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)的，并通過鏡頭，把景物影像通過光線的直線傳播、折射或反射準(zhǔn)確地聚焦在像平面上。對照相機(jī)來說，鏡頭是其最基本的元件之一，也是最重要的物理元件?？v觀相機(jī)的發(fā)展史，鏡頭一直是相機(jī)的精髓所在，即使相機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展這么長時(shí)間，也依舊沒有什么能用來取代相機(jī)的物理光學(xué)鏡

9、頭。照相機(jī)鏡頭是典型的規(guī)模生產(chǎn)的光學(xué)產(chǎn)品，隨著照相機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，照相機(jī)鏡頭在光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)和光學(xué)新材料技術(shù)的運(yùn)用以及規(guī)模生產(chǎn)的管理技術(shù)等各方面都取得了一系列的發(fā)展。國內(nèi)的一些光學(xué)加工企業(yè)也在照相機(jī)鏡頭方面開展了大量的工作，有部分企業(yè)已經(jīng)形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模,在激烈的市場競爭中占了一席之地，并正在由普及型照相鏡頭向先進(jìn)攝影系統(tǒng)(APS)鏡頭和高檔單鏡反光(SLR)照相機(jī)鏡頭方向拓展。許多國際知名的企業(yè)，如佳能等都將生產(chǎn)的基地投向了中國。在當(dāng)前光機(jī)電綜合產(chǎn)品國際化大合作的環(huán)境中，研究如何利用光學(xué)鏡頭半機(jī)械，半人工技術(shù)和勞動密集的規(guī)模生產(chǎn)特點(diǎn)，如何利用我國多年光學(xué)設(shè)計(jì)加工的基礎(chǔ)，參與國際合作

10、與競爭是擺在光學(xué)同行們面前的重要課題。更加深入的研究照相機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)及其發(fā)展現(xiàn)狀有助于我們在高速發(fā)展的照相機(jī)鏡頭的制備上追趕世界先進(jìn)水平從而占領(lǐng)制高點(diǎn)1。1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展目前，日本照相機(jī)鏡頭在國際市場上已占絕對優(yōu)勢。而鏡頭的設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)ZEMAX分析軟件，結(jié)合現(xiàn)代的光學(xué)設(shè)計(jì)理論和先進(jìn)的現(xiàn)代加工制造技術(shù)，通過對光學(xué)加工工藝和光學(xué)測量方法的不斷創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)，來設(shè)計(jì)和完善鏡頭的加工、裝配、檢測等。照相機(jī)鏡頭產(chǎn)品的進(jìn)步無不與新技術(shù)新材料和新工藝的研究與突破相聯(lián)系。80年代末，正是由于日本光學(xué)塑料非球面技術(shù)的突破，使普及型ZOOM變焦鏡頭的大規(guī)模廉價(jià)生產(chǎn)成為可能，并大量出現(xiàn)在35mmL

11、S照相機(jī)中,取得了巨大的成功。90年代末，正是由于光學(xué)玻璃和塑料材料的進(jìn)步，使LS照相機(jī)機(jī)械補(bǔ)償式變焦鏡頭的變焦比突破3倍，達(dá)到4倍。我國照相機(jī)變焦鏡頭的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力的不足，其中主要的原因是受到技術(shù)材料與工藝的限制，特別是在大變焦比LS照相機(jī)鏡頭和高品質(zhì)SLR照相機(jī)鏡頭的開發(fā)和生產(chǎn)方面，塑料非球面模具技術(shù)生產(chǎn)工藝及檢驗(yàn)技術(shù)多年來一直是難以逾越的障礙。國內(nèi)的許多同行們在這方面作了很多的工作，但尚沒有形成真正的規(guī)模生產(chǎn)。有遠(yuǎn)見的光學(xué)企業(yè)應(yīng)該在鏡頭的新技術(shù)新材料和新工藝的研究上投入更多的人力和物力。也只有這樣，我們的照相機(jī)鏡頭才能夠不僅僅停留在普及型產(chǎn)品上，才能夠向產(chǎn)品的縱深發(fā)展，拓展更廣闊的市場

12、空間3- 6。1.3 本論文研究的主要內(nèi)容照相機(jī)的鏡頭可以分三大類：廣角、標(biāo)準(zhǔn)和長焦。根據(jù)照相機(jī)鏡頭的特點(diǎn)，本課題的技術(shù)研究工作包含以下一些主要內(nèi)容：(1) 準(zhǔn)備和收集照相機(jī)鏡頭各種技術(shù)資料的工作，查找相關(guān)國、內(nèi)外文獻(xiàn)，對相關(guān)相機(jī)鏡頭的專利結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定論文研究的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行照相機(jī)鏡頭理論知識的技術(shù)研究工作；(2) 具體的分析和研究長焦連續(xù)變倍單鏡頭反光照相鏡頭具有代表性的鏡頭。主要是研究這種鏡頭的光學(xué)原理；如何分析分析系統(tǒng)各相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和聯(lián)系，逐步完成論文的主體框架；(3) 把前期收集、撰寫的資料和一些分析、結(jié)果進(jìn)行整理，隨后在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行論文的最后歸納、總結(jié)，完成論文的技術(shù)研究工

13、作。1.4 本章小結(jié) 照相鏡頭是一個(gè)十分廣闊和復(fù)雜的技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)代照相鏡頭技術(shù)已經(jīng)向自動化和智能化方向發(fā)展，同時(shí)這些技術(shù)又在很大程度上取決于光學(xué)、電子、機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，因此，通過上面的分析和論證，我們認(rèn)為研究照相鏡頭技術(shù)這個(gè)課題是非常必要的，它必將對我國光學(xué)和電子、機(jī)械工業(yè)等方面產(chǎn)生積極而有意義的影響，同時(shí)高像質(zhì)的照相鏡頭還能對我國的國防事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。第2章 照相機(jī)鏡頭綜述2.1 照相機(jī)概述相機(jī)是一種利用光學(xué)成像原理形成影像并使用底片記錄影像的設(shè)備。照相機(jī)的主要部件就是凸透鏡。光線要穿過凸透鏡，一定要先從空氣射進(jìn)玻璃，這要發(fā)生一次折射，再射出又會在玻璃和空氣的界而上再發(fā)生一次折射，

14、凸透鏡就是由于對穿過的光線要發(fā)生兩次折射，而起到控制作用的。照相機(jī)是利用凸透鏡對光線的會聚作用，當(dāng)物距大于二倍焦距，成縮小倒立實(shí)像的原理制成的。照相機(jī)鏡頭是一個(gè)凸透鏡，底片相當(dāng)于光屏，暗盒的長度是像距，被照物體到鏡頭的距離是物距。如圖2-1所示，AB代表照相機(jī)鏡頭前一物體，AB是AB的像。以主光軸的參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，像AB是倒立的。像AB與物體AB進(jìn)行比較是縮小的。實(shí)像是指由實(shí)際光線會聚而成的，既能用眼睛看，又能用屏幕接收。圖2-1 照相機(jī)成像原理圖選定被拍攝的對象(景物)后，適當(dāng)調(diào)整鏡頭到底片的距離，就能在底片上形成景物清晰的、倒立的、縮小的像，按動快門，就能使底片感光，并沖洗出相片了。凸透

15、鏡成像原理如式2-1： 1/u+1/v=1/f (2-1)其中，u、v、f分別為物距、像距、焦距。如果想拍遠(yuǎn)景，照相機(jī)離景物應(yīng)遠(yuǎn)些，底片離鏡頭應(yīng)近些，在實(shí)際中通過轉(zhuǎn)動鏡頭上的調(diào)焦環(huán)來使鏡頭往里收既增大物距同時(shí)又減少像距。如果想拍人臉的特寫，要求底片上人像大些，照相機(jī)鏡頭應(yīng)離被拍攝對象近些，底片離鏡頭應(yīng)遠(yuǎn)一些，實(shí)際拍攝時(shí)調(diào)竹鏡頭上的調(diào)焦環(huán)使鏡頭往外伸出既減少物距的同時(shí)又增大像距。我們可以用以下十四個(gè)字來總結(jié)照相機(jī)成像規(guī)律：遠(yuǎn)小近大，像大像距大，像小像距小。即u2f時(shí)；u越大，像越小(遠(yuǎn)小)，像距越小(像小像距小)；u越小，像越大(近大)，像距越大(像大像距大)7- 10。再換個(gè)角度觀察，以我們自

16、己為參照物，凸透鏡不動時(shí)，物像移動的方向是相同的。物體向右移動，像也向右移動；物體向左移動，像也向左移動。不過物體移動得快，像移動得慢。因?yàn)槲矬w從一倍的焦距移動到無窮遠(yuǎn)處(距離很長)，所成像才由二倍焦距移動到一倍焦距(距離很短)，所以物體比像移動得快?；蛘咭部梢钥偨Y(jié)為：物體靠近鏡頭時(shí)，像遠(yuǎn)離鏡頭；物體遠(yuǎn)離鏡頭時(shí)，像靠近鏡頭。當(dāng)然，在實(shí)際拍照時(shí)，要得到一張有水準(zhǔn)的相片，還有很多技術(shù)上的問題。所以，我們首先要學(xué)好理論知識，而后再多多實(shí)踐，才能更好地掌握照相技術(shù)。2.2 照相機(jī)鏡頭的分類相機(jī)上的關(guān)鍵部件，鏡頭直接決定了拍攝畫面成像效果，因此鏡頭倍受攝影人的關(guān)注。鏡頭焦距是照相機(jī)鏡頭性能的主要指標(biāo)，因

17、此根據(jù)鏡頭焦距的長短可以將鏡頭分成不同的類型，通常有魚眼鏡頭、超廣角鏡頭、廣角鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭、中長焦變焦鏡頭和超長焦變焦鏡頭，還包括很多不同焦距的定焦鏡頭，以及一些特殊用途的鏡頭，比如微距鏡頭等。不同焦距的鏡頭所拍攝的畫面視角有所不同，鏡頭的焦距越長視角越窄，也就是在同樣的距離上隨著焦距的增大，所拍攝的畫面就越??；從畫面的視覺效果來看，就是遠(yuǎn)處的畫面被放大了，拍攝的對象被拉近了。不同焦距的鏡頭因?yàn)槠渑臄z視角有所不同，因此拍攝到的畫而具有不同的視覺效果，相應(yīng)的畫而因此也具有不同的視覺特點(diǎn)。因此，當(dāng)攝影師對一個(gè)拍攝場景的時(shí)候，需要充分考慮場景的特點(diǎn)、鏡頭的成像特點(diǎn)以及自己最終希望的畫面效果，然

18、后再結(jié)合自己的拍攝經(jīng)驗(yàn)，來選擇具體拍攝所需要使用的鏡頭和焦距。(1) 魚眼鏡頭魚眼鏡頭從字面上講就是看上去像魚眼的鏡頭。魚眼鏡頭的前鏡鏡片組實(shí)際上是向前凸出的，就像魚的眼睛，從側(cè)面看凸出的效果比較明顯。通常魚眼鏡頭的焦距為8mm，15mm或16mm，魚眼鏡頭的視角可以達(dá)到180，由于受魚眼鏡頭像場的限制，使用魚眼鏡頭所拍攝的畫面通常呈現(xiàn)為圓形，周邊是一個(gè)圓形的黑框。魚眼鏡頭的這種特點(diǎn)使得它能夠?qū)⒑軓V視野中的物體包括在同一個(gè)畫面中，并且可以產(chǎn)生獨(dú)特的視覺效果。但是魚眼鏡頭的變形非常厲害，因此在使用中要特別注意。(2) 超廣角鏡頭從鏡頭焦距的角度來看，我們將8mm28mm之間的鏡頭稱為超廣角鏡頭。

19、在傳統(tǒng)攝影時(shí)代，處于這一焦段的鏡頭只有16mm鏡頭。但是到了數(shù)碼攝影時(shí)代，由于非全畫幅相機(jī)具有很大的占比，并且非全畫幅鏡頭的銷售價(jià)格低，制造成本低，因此不同品牌出現(xiàn)了很多種型號的非全畫幅的超廣角變焦鏡頭。比如1022mm的變焦鏡頭，如果換算成為35mm相機(jī)的焦距(假設(shè)轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.6)，那么其等效焦距就是1630mm。超廣角鏡頭相比28mm的標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭具有了更廣的視野，因此在狹小的空間中進(jìn)行拍攝使用這種鏡頭能夠幫助攝影師得到很廣的拍攝視角。但這種鏡頭具有廣角鏡頭的普遍性缺點(diǎn)，那就是畫面變形比較大，存在較大的桶形畸變，因此在拍攝的時(shí)候不要將畫面中的線條安排在畫面的邊緣，否則會產(chǎn)生非常難看的變形

20、效果。(3) 廣角鏡頭與標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭廣角鏡頭的基準(zhǔn)焦距為28mm。因?yàn)?8mm是人觀看畫面時(shí)覺得自然、舒適的最小焦距，再廣的畫面就會覺得不自然。因此，在傳統(tǒng)攝形時(shí)代，28mm是很多標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭的最小焦距。隨著鏡頭制造技術(shù)的進(jìn)步和大眾對于廣角視覺效果接受程度的提高，廣角鏡頭的基準(zhǔn)焦距有所改變，越來越向短焦距方向偏移，因此后來出現(xiàn)了很多廣角端為24mm的標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭。因?yàn)閺V角鏡頭所拍攝的畫面變形比較大、視角比較廣，同時(shí)要照顧到觀者在觀看照片時(shí)的視覺感受，所以在紀(jì)實(shí)攝影中，28mm大多數(shù)情況下應(yīng)該是紀(jì)實(shí)攝影和新聞攝影中使用的最知焦距。從攝影史的角度來看，早期紀(jì)實(shí)照片中所使用的廣角鏡頭的焦距不會短于3

21、5mm，當(dāng)然這也與當(dāng)時(shí)的鏡頭設(shè)計(jì)、制造水平有關(guān)，28mm廣角鏡頭在紀(jì)實(shí)攝影和新聞攝影中的使用可以說進(jìn)一步拓展了影像的視覺可能性。對于攝影師來說，即使使用的是28mm或24mm的廣角鏡頭，在拍攝中也應(yīng)該充分注意畫而邊緣的畸變對于畫面整體效果的影響。(4) 長焦鏡頭這一類型的鏡頭覆蓋了中焦到長焦的焦段。通常中焦的焦段為70mm,80mm或是100mm左右，長焦端的焦距通常為200mm，210mm或是300mm，甚至是400mm。隨著鏡頭設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)一步提高，以及新技術(shù)、新材料在鏡頭設(shè)計(jì)和制造中的使用，中長焦變焦鏡頭的長焦端焦距在不斷增加，變焦鏡頭的變焦比也在不斷增大。(5) 超長焦鏡頭超長焦

22、鏡頭一般指焦距超過300mm的定焦鏡頭。由于是定焦鏡頭，因此鏡頭通常具有較大的光圈，比如F2.8，F(xiàn)4等，相應(yīng)可以搭配1.4倍或2倍的增距鏡，不僅能夠大幅度提高鏡頭的焦距，而且仍然能夠?qū)崿F(xiàn)自動對焦。此類鏡頭多被用于拍攝距離較遠(yuǎn)的對象，因此在野生動物攝影，體育攝影中經(jīng)?？梢钥吹匠L焦鏡頭身影。超長焦鏡頭由于個(gè)頭較大，并且較重，因此需要架設(shè)在三腳架上進(jìn)行拍攝。(6) 微距鏡頭微距鏡頭是專門為近距離拍攝小物品而設(shè)計(jì)的，這類鏡頭具有較大的放大倍率。通常將放大倍率大于1:2的鏡頭稱為微距鏡頭，大多數(shù)的微距鏡頭的放大倍率為1:1，有個(gè)別鏡頭的放大倍率超過了1:1。微距鏡頭因?yàn)槭菫榕臄z小的物體以及近距離拍攝

23、專門設(shè)計(jì)的，因此對于鏡頭近距離攝影的畸變進(jìn)行了有效校正，用微距鏡頭所拍攝的畫而中線條可謂橫平豎直，這對于拍攝有較多線條的畫而特別有利。微距鏡頭根據(jù)實(shí)際焦距大體可以分為二類：一是焦距為50mm左右的微距鏡頭，二是焦距為100mm左右的微距鏡頭，二是焦距為180mm左右的微距鏡頭12, 13。如圖2-2，其中圖1到圖6依次為魚眼鏡頭、超廣角鏡頭、廣角鏡頭與標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭、中長焦變焦鏡頭、超長焦鏡頭、微距鏡頭。 (a) 魚眼鏡頭 (b) 超廣角鏡頭 (c) 廣角鏡頭 (d) 中長焦變焦鏡頭 (e) 超長焦鏡頭 (f) 微距鏡頭圖2-2 六種常見鏡頭 2.3 相機(jī)鏡頭中的光學(xué)特性及應(yīng)用日常使用的照相鏡頭

24、由于受光學(xué)設(shè)計(jì)、加工工藝及裝調(diào)技術(shù)等諸多因素的影響，要對一定大小的物體成理想像是不可能的，它實(shí)際所成的像與理想的像總是有差異，這種成像的差異就稱為鏡頭（或成像光學(xué)系統(tǒng)）的像差。2.3.1 照相機(jī)鏡頭的像差像差是由光學(xué)系統(tǒng)的物理?xiàng)l件（光學(xué)特性指標(biāo)）所造成的。從某種意義上來說，任何光學(xué)系統(tǒng)都存在有一定程度的像差，而且從理論上來講也不可能將它們完全消除。肉眼和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要像差的數(shù)值小于一定的限度，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)的像差得到了矯正。透鏡的像差可以分成兩大類：單色像差及色像差。如果鏡頭只對單色光成像，那么共有五種性質(zhì)不同的像差。它們是影響成像清晰度的球差、彗差、象散、場

25、曲，以及影響物象相似程度的畸變。(1) 球差如圖2-3各點(diǎn)的聚光能力不同，它不再會聚到像方的同一點(diǎn)，而是形成一個(gè)以光軸為中心的對稱的彌散斑，這種像差稱為球差，球差的大小與物點(diǎn)位置和成像光束的孔徑角大小有關(guān)。當(dāng)物點(diǎn)位置確定后，孔徑角越小所產(chǎn)生的球差也就越小。隨著孔徑角的增大，球差的增大與孔徑角的高次方成正比。在照相鏡頭中，光圈數(shù)增加一檔（光孔縮小一檔），球差就縮小一半。因此在拍攝時(shí)，只要光線強(qiáng)度允許，就應(yīng)該使用較小的光圈拍照，以便減小球差的影響。圖2-3 球差的形成(2) 彗差光軸外的某一物點(diǎn)向鏡頭發(fā)出一束平行光線,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,在象平面上會形成不對稱的彌散光斑，這種彌散光斑的形狀呈彗星形，即由

26、中心到邊緣拖著一個(gè)由細(xì)到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊。這種軸外光束引起的像差稱為彗差。彗差的大小是以它所形成的彌散光斑的不對稱程度來表示。彗差的大小既與孔徑有關(guān)，也與視場有關(guān)。在拍攝時(shí)與球差一樣，可采取適當(dāng)收小光孔的辦法來減少彗差對成像的影響。攝影界一般將球差和彗差所引起的模糊現(xiàn)象稱為光暈。在絕大多數(shù)情況下，軸外點(diǎn)的光暈比軸上點(diǎn)要大。由于軸外像差的存在，我們對于軸外象點(diǎn)的要求不應(yīng)該比軸上點(diǎn)高，至多一致，即兩者具有相同的成像缺陷，此時(shí)我們稱等暈成像。隨著相對孔徑的增大，球差和彗差的校正將更加困難，放在使用大孔徑鏡頭時(shí)，應(yīng)事先了解鏡頭的性能，注意到那檔光圈漸暈最小，在可能情況下

27、，應(yīng)盡量縮小光孔，以提高成像質(zhì)量。對于子午慧差可表示為式2-2： (2-2)對于弧矢慧差，因一對對稱的弧矢光線于高斯像面的焦點(diǎn)在y方向的坐標(biāo)必相等，故有式2-3： (2-3)(3) 像散也是一種軸外像差，與彗差不同，它是描述無限細(xì)光束成像缺陷的一種像差，僅與視場有關(guān)。由于軸外光束的不對稱性，使得軸外點(diǎn)的子午細(xì)光束的會聚點(diǎn)與弧矢細(xì)光束的會聚點(diǎn)各處于不同的位置，與這種現(xiàn)象相應(yīng)的像差，稱為像散。子午細(xì)光束的會聚點(diǎn)與孤矢細(xì)光束的會聚點(diǎn)之間距離在光軸上的投影大小，就是像散的數(shù)值。由于像散的存在，使得軸外視場的像質(zhì)顯著下降，即使光圈開得很小，在子午和弧矢方向均無法同時(shí)獲得非常清晰的影像。像散的大小僅與視場

28、角有關(guān)，而與孔徑大小無關(guān)。因此，在廣角鏡頭中像散就比較明顯，在拍攝時(shí)應(yīng)盡量使被攝體處于畫面的中心。(4) 場曲當(dāng)垂直于光軸的物平面經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后不成像在同一象平面內(nèi)，而在一個(gè)以光軸為對稱的彎曲表面上，這種成像缺陷稱為場曲。場曲也是與孔徑無關(guān)的一種像差。由于象散的存在，子午細(xì)光束所形成的彎曲像面與弧矢細(xì)光束所形成的彎曲像面往往不重合，它們分別稱為子午場曲Xt和弧矢場曲Xs。用存在場曲的鏡頭拍照時(shí)，當(dāng)調(diào)焦至畫面中央處影像清晰，畫面四周影像就模糊；而當(dāng)調(diào)焦至畫面四周影像清晰時(shí)，畫面中央處的影像又開始模糊，無法在平直的象平面上獲得中心與四周都清晰的像。因此在某些專用照相機(jī)中，故意將底片處于弧形位置，以減

29、少場曲的影響。因?yàn)閺V角鏡頭的場曲總是比一般鏡頭大，因此在拍團(tuán)體照時(shí)將被攝體作圓弧形排列，就是為了提高邊緣視場的像質(zhì)。(5) 畸變畸變是指物體所成的像在形狀上的變形。畸變并不影響像的清晰度，只影響物象的相似性。由于畸變的存在，物空間的一條直線在像方就變成一條曲線，造成像的失真?；兎滞靶位兒驼硇位儍煞N?；兣c相對孔徑無關(guān)，僅與鏡頭的視場有關(guān)。所以在使用廣角鏡頭時(shí)要特別注意畸變的影響。常用相對于理想像高的百分比來表示畸變，稱相對畸變，即式2-4 (2-4)2.3.2 照相鏡頭的光學(xué)特性照相鏡頭的光學(xué)特性可由三個(gè)參數(shù)來表示，即照相鏡頭的焦距f、相對孔徑D/f和視場角2。如圖2-4相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)示意

30、圖。其實(shí)就135照相機(jī)而言，其標(biāo)準(zhǔn)畫幅已確定為24mm36mm，則其對角線長度為2D=43.266。我們可以得出照相機(jī)鏡頭的焦距f和視場角之間有式2-5的關(guān)系： (2-5)式中：2D畫幅的對角線長度；f鏡頭的焦距。圖2-4 135照相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)圖照相機(jī)鏡頭的另一個(gè)最重要的光學(xué)特征指標(biāo)是相對孔徑。它表示鏡頭通過光線的能力，用D/f表示。它定義為鏡頭的光孔直徑（也稱入瞳直徑）D與鏡頭焦距f之比相對孔徑的倒數(shù)稱為鏡頭的光圈系數(shù)或光圈數(shù)，又稱F數(shù)，即F=f/D當(dāng)焦距f固定時(shí)，F(xiàn)數(shù)與入瞳直徑D成反比。由于通光面積與D的平方成正比，通光面積越大則鏡頭所能通過的光通量越大。因此當(dāng)光圈數(shù)處于最小數(shù)時(shí)，光孔最大

31、，光通量也最大。隨著光圈數(shù)的加大，光孔變小，光通量也隨之減少。如果不考慮各種鏡頭透過率差異的影響，不管是多長焦距的鏡頭，也不管鏡頭的光孔直徑有多大，只要光圈數(shù)值相同，它們的光通量都是一樣的。對照相機(jī)鏡頭而言，F(xiàn)數(shù)是個(gè)特別重要的參數(shù)，F(xiàn)數(shù)越小，鏡頭的適用范圍越廣。與目視光學(xué)系統(tǒng)相比，照相物鏡同時(shí)具有大相對孔徑和大視場，因此，為了使整個(gè)像面都能看到清晰的并與物平面相似的像，差不多要校正所有七種像差。照相物鏡的分辨率是相對孔徑和象差殘余量的綜合反映。在相對孔徑確定后，制定一個(gè)既滿足使用要求，又易于實(shí)現(xiàn)的象差最佳校正方案。為方便起見，往往采用“彌散圓半徑”來衡量象差的大小，最終則以光學(xué)傳遞函數(shù)對成像質(zhì)

32、量做出評價(jià)。近年來興起的數(shù)位相機(jī)鏡頭同上述的傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭的特性和設(shè)計(jì)評價(jià)上很不相同其主要差別有：(1) 相對孔徑較傳統(tǒng)相機(jī)大。(2) 較短的焦距，使得景深范圍增大?？筛鶕?jù)視場角的大小算出相當(dāng)傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭的焦距值：F=43.266/(2tan)(3) 較高的分辨率14- 16 。2.4 相機(jī)鏡頭的新技術(shù)相機(jī)鏡頭直接決定了畫面的成像效果，就鏡頭的最終成像效果而言，有四個(gè)基本的影響因素，分別是鏡頭的分辨率、色差、變形和暗角等。因此，相機(jī)鏡頭的改進(jìn)工作，新技術(shù)的開發(fā)都是以提高這四個(gè)方面的成像效果為基本出發(fā)點(diǎn)的。(1) 鍍膜為了提高鏡頭對于不同色彩的準(zhǔn)確還原能力，減小色差，通常會在鏡頭的鏡片前面進(jìn)行鍍膜

33、。經(jīng)過鍍膜的鏡頭，通常對于不同色光都具有更好的通過性，能夠?qū)崿F(xiàn)色彩較為準(zhǔn)確的還原。(2) 低色散鏡片色散是鏡頭色差的主要部分，因此在鏡頭中使用低色散鏡片或是超低色散鏡片可以有效降低不同光線通過鏡頭的色散，進(jìn)而降低鏡頭的色差。(3) 非球面鏡片傳統(tǒng)的鏡片都是球面鏡片，為了有效降低鏡頭的變形，可以在鏡頭中使用非球面鏡片有效校正成像中的像差，從而將拍攝畫面的變形降低到最小。(4) 數(shù)碼整合設(shè)計(jì)數(shù)碼相機(jī)的影像記錄使用的是影像感應(yīng)器，膠片相機(jī)使用的是膠片。由于影像記錄介質(zhì)存在較大差異，因此對于相機(jī)的鏡頭也提出了較高的要求。對于膠片相機(jī)而言，處于像場中的膠片可以接受來自各個(gè)不同方向的光線的照射，這此光線對

34、于底片中銀鹽顆粒的曝光都會產(chǎn)生作用。而在數(shù)碼相機(jī)中，影像感應(yīng)器中的像素單元都是微米級別的，也就是說像素單元很小，這使得每個(gè)單元接受到的光線會很少，由于像素單元擔(dān)負(fù)著完成影像從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的重要作用，那么光線弱就會影響到像素單元的轉(zhuǎn)換效果。因?yàn)檫@種原因，以前為傳統(tǒng)相機(jī)設(shè)計(jì)的很多鏡頭在使用在數(shù)碼相機(jī)上時(shí)，往往成像效果不佳，這種現(xiàn)象在中低端鏡頭中非常明顯，很多鏡頭的中心分辨率僅僅徘徊在1600左右，而最新推出的數(shù)碼攝影專用鏡頭(甚至大多數(shù)的入門級鏡頭)的成像效果卻可以輕松地達(dá)到1800甚至2000以上。數(shù)碼攝影專用鏡頭實(shí)際上就是根據(jù)影像感應(yīng)器成像的具體特點(diǎn)，將鏡頭后部的光線校正為垂直射向影像感應(yīng)器

35、，使光線可以直接進(jìn)入相應(yīng)的影像感應(yīng)器像素單元，這一方面提高了光線的成像效用，另一方面不會因?yàn)橐孕苯菙z入的光線而影響畫面的成像效果，這種設(shè)計(jì)有效提高了鏡頭的分辨率和畫面的銳度。(5) 防抖技術(shù)現(xiàn)在鏡頭防抖動技術(shù)已經(jīng)在鏡頭中廣泛使用。鏡頭的防抖技術(shù)經(jīng)過了較長時(shí)間發(fā)展與演變，比如早期的防抖還分為垂直和水平防抖，當(dāng)使用三腳架的時(shí)候需要手動關(guān)閉防抖功能，而且最大的防抖效果為兩極;現(xiàn)在鏡頭防抖技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，鏡頭可以自動識別是垂直還是水平防抖，自動檢測是否使用了三腳架，最大的防抖效果達(dá)到了4級甚至5級防抖技術(shù)在鏡頭中的使用，一方面可以幫助普通的攝影者拍攝出清晰的照片，而且使得很多大變焦比鏡頭的拍攝

36、成功率大大提高。(6) 安全快門速度安全快門速度就是說在拍攝中相機(jī)的最小快門速度應(yīng)該是鏡頭焦距的倒數(shù)。比如倘若使用的是50mm的鏡頭，那么拍攝的安全快門速度是1/50秒。如果在拍攝中相機(jī)的快門低于安全快門速度，而且這時(shí)鏡頭的光圈已經(jīng)是最大光圈，在過去就只能選擇使用高感光度膠片。而在數(shù)碼攝影時(shí)代，由于鏡頭防抖技術(shù)或是機(jī)身防抖技術(shù)的使用，使得鏡頭的安全快門速度也相應(yīng)降低了級數(shù)，也就是說使用具有防抖功能的鏡頭或機(jī)身時(shí)，拍攝的成功率有了很。(7) 鏡頭驅(qū)動自動對焦鏡頭的驅(qū)動采用的是馬達(dá)，不同品牌的鏡頭對于自己所采用的鏡頭驅(qū)動馬達(dá)的表述方式均有所不同，有叫超聲波馬達(dá)的，有叫靜音馬達(dá)的，不一而足，但都是通

37、過相應(yīng)的驅(qū)動部件，將電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)鏡頭的驅(qū)動對焦。比如佳能的超聲波馬達(dá)(USM Ultra Sonic Motor)尼康的靜音波形馬達(dá)(SWM Silent Wave Motor)、索尼的超聲波馬達(dá)(SSM Super-Sonic Motor)、奧林巴斯的超聲波馬達(dá)(SWD Supersonic Wave Drive)等。(8) 內(nèi)對焦鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)均有所不同，僅就對焦而言有內(nèi)、外對焦之分。其中的外對焦光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種傳統(tǒng)的對焦方式，在對焦過程中鏡頭鏡筒的長短會發(fā)生變化，在對焦過程中前鏡筒會伸縮和旋轉(zhuǎn)。這種鏡筒的伸縮和旋轉(zhuǎn)一方面對于近距離拍攝不利，另一方面這種旋轉(zhuǎn)對于使用偏振鏡也帶

38、來了相應(yīng)的困難，因?yàn)槠耒R的使用效果與鏡片的方向密切相關(guān)，對焦會改變調(diào)整好的偏振鏡的方向，進(jìn)而影響偏振效果。而內(nèi)對焦則是依賴鏡頭內(nèi)部鏡組的旋轉(zhuǎn)和移動來完成畫面的對焦，在這一對焦過程中，鏡頭外部的鏡筒不會有任何變化，因此非常有利于使用偏振鏡。內(nèi)對焦技術(shù)大多應(yīng)用于一些中高端鏡頭17- 19 。2.5 相機(jī)鏡頭的保護(hù)鏡頭猶如照相機(jī)的“眼睛”，是相機(jī)最重要的組成部分。對照相機(jī)鏡頭的保護(hù)要做到以下幾點(diǎn)：(1) 防震：鏡頭的摔跌和碰撞、擠壓，容易使鏡頭脫膠，損壞測距部件，影響對光測焦。外出時(shí)應(yīng)將相機(jī)放入安全的攝影包中或掛在胸前，并將光圈開到最大，避免光圈頁片的損壞。(2) 防劃傷：平時(shí)在鏡頭前應(yīng)加一塊紫外

39、線濾色鏡(UV鏡)，這樣既可避免由于不小心硬尖物擦傷鏡面，又不影響曝光量和被攝物顏色的正確吸收。(3) 防塵：塵埃是鏡頭的大敵，鏡頭積塵會影響被攝物的清晰度。拍照時(shí)，要養(yǎng)成用完將鏡頭蓋蓋上的習(xí)慣，以防塵土進(jìn)入。若鏡面上落有塵土，可先用醫(yī)用吹氣球吹去，再用細(xì)軟的專用鏡頭刷輕輕刷去。切勿用粗糙不潔的手指、手絹、紙等擦拭，以防擦花鏡面。切忌用酒精、汽油等物擦拭，以防鏡邊脫膠。若鏡面上有污潰，可用高級脫脂棉沾上些鏡頭專用清潔劑，輕輕地由鏡頭中心逐漸向鏡頭邊緣擦拭。(4) 防潮：鏡頭受潮后鏡面容易變質(zhì)，并會使鏡片中間的膠合層產(chǎn)生霉斑，影響結(jié)像力。平時(shí)應(yīng)放在干燥、涼爽的地方。生活在南方潮濕地區(qū)，或住在潮氣

40、較大的環(huán)境中，最好把相機(jī)放在有少量干燥劑(變色硅膠等)的塑料袋中或玻璃缸內(nèi)貯存。(5) 防高溫：不要將相機(jī)靠近煤爐、暖氣放置，或長時(shí)間在強(qiáng)烈日高溫會使鏡片中間脫膠，影響使用質(zhì)量。(6) 防溫度驟變：冬季攝影，由于室內(nèi)外溫差較大，當(dāng)由室外進(jìn)入室內(nèi)拍攝時(shí)，應(yīng)稍等片刻，待鏡面上凝結(jié)的水珠消失后再拍攝。嚴(yán)寒季節(jié)外出攝影，應(yīng)將相機(jī)裹在棉大衣內(nèi)，拍照時(shí)也應(yīng)取出稍待片刻，以取得良好的結(jié)像效果。(7) 防止拆卸鏡頭：鏡頭是由多組透鏡構(gòu)成的，各組透鏡之間都有嚴(yán)格規(guī)定的距離。在不熟悉檢修情況下，嚴(yán)禁隨便拆卸鏡頭，否則，將會破壞鏡頭的成像質(zhì)量20 。第3章 f 70-210/4-5.6變焦距照相鏡頭的分析3.1 變

41、焦距照相鏡頭原理概述變焦鏡頭是焦距在一定范圍內(nèi)變化而保持像面穩(wěn)定的照相鏡頭。變焦方式從使用上來說可分為二種：推拉式和旋轉(zhuǎn)式.從原理上來分，可分為恒定光圈和非恒定光圈二種。精確調(diào)焦后，可在膠片乳劑平面上結(jié)成被調(diào)焦主體平面的最清晰影像。也只有調(diào)焦時(shí)所針對之被攝主體平面處的景物才可獲得最清晰的影像，即對誰調(diào)焦誰最清晰。而位于被調(diào)焦之被攝主體平面前后的景物在理論上均將發(fā)虛。而且位于該被調(diào)焦物平面前后的景物的具體清晰度，將視距該被調(diào)焦物平面的遠(yuǎn)近不同而有所不同。其中距離被調(diào)焦物平面愈遠(yuǎn)者，則其影像相對變虛得愈嚴(yán)重，亦即其清晰度相對愈低；而距離被調(diào)焦物平面愈近者，則其影像相對變虛得愈輕微，亦即其清晰度相對

42、愈高。調(diào)焦距離S：攝影鏡頭的調(diào)焦距離S指自被調(diào)焦物平面(即被攝主體平面)至曝光窗平面(即感光膠片乳劑平面)之間的距離11。3.1.1 調(diào)焦的意義與方式照相前，精確的測距結(jié)果是準(zhǔn)確調(diào)焦的依據(jù)，從而也是獲得清晰影像的必要前提條件。當(dāng)被攝主體平面(即被調(diào)焦物平面)和照相機(jī)機(jī)身的位置分別確定后，沿?cái)z影鏡頭光軸方向，前后調(diào)節(jié)攝影鏡頭焦平面與曝光窗平面之間的相互位置關(guān)系，以改變二者間之焦像距X的大小，使最終所獲得之“物距、像距、焦距”三數(shù)值之間的相互關(guān)系，剛好符合高斯公式要求的調(diào)節(jié)過程，亦即使被攝主體的理想像平面剛好與感光膠片乳劑平面精確重合的調(diào)節(jié)過程，稱為調(diào)焦。根據(jù)調(diào)焦時(shí)所調(diào)節(jié)的元件不同，將導(dǎo)致調(diào)焦時(shí)所

43、改變的拍攝參數(shù)種類有別。(1) 焦時(shí)使攝影鏡頭光學(xué)系統(tǒng)整組前后位移，以改變攝影鏡頭焦平面的前后位置，即同時(shí)令物距與像距改變。(2) 調(diào)焦時(shí)使機(jī)身上曝光窗平面的位置相對焦平面前后位移，從而使焦平面與曝光窗平面之間的焦像距改變。(3) 調(diào)焦時(shí)使攝影鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的部分組元前后位移，以微量改變攝影鏡頭的焦距與焦平面的前后位置21- 24，即同時(shí)令物距、像距、焦距三者改變。3.1.2 調(diào)焦的性能指標(biāo)調(diào)焦的性能指標(biāo)主要是指：測距、調(diào)焦精度高；測距系統(tǒng)所測距離值(測距后攝影鏡頭所指示的距離刻度)與被攝主體此刻的實(shí)際調(diào)焦距離值，及照相機(jī)此刻的實(shí)際調(diào)焦?fàn)顟B(tài)三者應(yīng)精確一致。為此要求：鏡頭的像面定位距與機(jī)身的像面定

44、位距應(yīng)精確匹配，且調(diào)焦時(shí)攝影鏡頭上的調(diào)焦距離刻度值與感光膠片乳劑平面的實(shí)際調(diào)焦距離值精確一致。調(diào)焦屏成像平面至攝影鏡頭間的光學(xué)距離與感光膠片乳劑平面至攝影鏡頭間的光學(xué)距離應(yīng)精確一致。自動調(diào)焦系統(tǒng)測距分段愈密、段數(shù)愈多，調(diào)焦精度愈高；調(diào)焦驅(qū)動信號的脈沖頻率愈高調(diào)焦精度愈高。調(diào)焦范圍大：調(diào)焦環(huán)的最近調(diào)焦距離愈近愈好。對鉛垂線條與水平線條均具有精確測距的能力。自動調(diào)焦的速度快：求驅(qū)動自動調(diào)焦的電機(jī)驅(qū)動力矩足夠大、啟動快、慣性小，并且測距運(yùn)算電路運(yùn)算速度快。環(huán)境亮度適應(yīng)性好：能正常進(jìn)行自動調(diào)焦的亮度范圍寬，即在較暗環(huán)境下仍能進(jìn)行精確測距、調(diào)焦。自動調(diào)焦的測距區(qū)域愈多、且分布較寬廣愈好。AF與MF的兼容

45、性好：攝影鏡頭在AF狀態(tài)下可否隨時(shí)進(jìn)行手控調(diào)焦，并且AF攝影鏡頭可否使用在傳統(tǒng)手控照相機(jī)上拍攝。3.1.3 調(diào)焦模式若按調(diào)焦時(shí)的操作方式分類，調(diào)焦模式主要有手控調(diào)焦的MF模式與自動調(diào)焦的AF模式二種。MF模式指需用手操作調(diào)焦環(huán)進(jìn)行調(diào)焦，且為可無級、連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)焦方式。MF模式又包含全手控MF模式與有電子調(diào)焦信號的MF模式兩種類型。前組調(diào)焦：前組調(diào)焦模式在調(diào)焦時(shí)僅控制光學(xué)系統(tǒng)的前組鏡片微量前后位移，從而微量改變攝影鏡頭的焦距值，及其焦平面的前后位置，使調(diào)焦得以實(shí)現(xiàn)。此模式在調(diào)焦時(shí)鏡筒長度略有變化，但伸縮量很小。前組調(diào)焦模式常應(yīng)用于變焦距攝影鏡頭上，因此類攝影鏡頭體積和重量較大，不宜進(jìn)行整組調(diào)焦。

46、內(nèi)調(diào)焦IF(Internal Focusing)：內(nèi)調(diào)焦模式在調(diào)焦時(shí)僅控制光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的少量鏡片作微量前后位移，從而微量改變攝影鏡頭的焦距值，及其焦平面的前后位置，使調(diào)焦得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)調(diào)焦模式在調(diào)焦時(shí)鏡筒長度不變。此模式常應(yīng)用于超攝遠(yuǎn)攝影鏡頭上，因這類攝影鏡頭的體積長，整組調(diào)焦易使照相機(jī)重心改變而不穩(wěn)，而內(nèi)調(diào)焦還可使調(diào)焦環(huán)的轉(zhuǎn)角較小。正因?yàn)閮?nèi)調(diào)焦模式所需驅(qū)動的透鏡片數(shù)較少，使調(diào)焦所需的驅(qū)動力矩顯著降低，故此該模式特別有利于改用微型馬達(dá)驅(qū)動調(diào)焦組位移，從而輕易就實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)焦此即部位移式AF模式25- 28 。3.2 變焦距照相鏡頭的種類和特點(diǎn)變焦距攝影鏡頭的原理：當(dāng)兩光學(xué)系統(tǒng)前后疊加組合時(shí)，新組

47、合之光學(xué)系統(tǒng)的焦距大小，除與兩獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)的各自焦距有關(guān)外，還與兩者主點(diǎn)間距的大小緊密相關(guān)。變焦距攝影鏡頭正是根據(jù)上述原理，通過改變鏡頭內(nèi)某些透鏡組之間的間距，來改變整個(gè)攝影鏡頭焦距的。若把變焦距攝影鏡頭中整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的全部透鏡片從攝影成像功能上進(jìn)行分類，變焦距光學(xué)系統(tǒng)可分為以下幾大部分：調(diào)焦組：一般位于變焦距攝影鏡頭的前部，并與調(diào)焦環(huán)聯(lián)動，其作用主要提供對被攝主體進(jìn)行精確調(diào)焦，簡稱調(diào)焦組。變倍組：一般位于變焦距攝影鏡頭的中部，并與變焦環(huán)聯(lián)動。其作用主要是按倍率改變整個(gè)變焦距光學(xué)系統(tǒng)焦距的大小，簡稱變倍組。補(bǔ)償組：一般也位于變焦距攝影鏡頭中部，并與變倍群聯(lián)動調(diào)節(jié)。其作用主要是在改變該變焦距光學(xué)

48、系統(tǒng)焦距倍率的全部過程中，以保證該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的最佳像面與感光材料平面精確吻合，即確保成像平面的前后位置保持穩(wěn)定不變，簡稱補(bǔ)償組。固定組：一般位于變焦距攝影鏡頭的后部，其主要作用是成像，以及校正前面各組透鏡殘存像差的作用。在攝影過程中其前后位置基本保持不變，簡稱固定組。也有的變焦距攝影鏡頭除有后固定組外，在鏡頭調(diào)焦組的前方還有一前固定組。固定群起主要成像作用，根據(jù)變倍群和補(bǔ)償群的性質(zhì)分類，常見變焦距攝影鏡頭有負(fù)組變倍、正組補(bǔ)償，正組變倍、負(fù)組補(bǔ)償，負(fù)組變倍、負(fù)組補(bǔ)償三種類型。3.2.1 變焦距照相鏡頭的種類根據(jù)變焦距攝影鏡頭中補(bǔ)償組的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分類，主要有機(jī)械補(bǔ)償型和光學(xué)補(bǔ)償型兩類。變焦距

49、鏡頭又分無級(即連續(xù))變焦型和分擋變焦型兩類，后者目前僅在一些早期產(chǎn)品中尚能見到。根據(jù)變焦環(huán)的操作方式不同，可將變焦距攝影鏡頭分為旋轉(zhuǎn)變焦式(簡稱旋轉(zhuǎn)式)和推拉變焦式(簡稱推拉式)兩類。旋轉(zhuǎn)式變焦距攝影鏡頭又稱為轉(zhuǎn)環(huán)式或雙環(huán)式變焦距鏡頭。此類攝影鏡頭的變焦環(huán)與調(diào)焦環(huán)為彼此獨(dú)立的兩個(gè)可轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)環(huán)。變焦環(huán)的外圓周上刻有變焦距標(biāo)尺，鏡筒上刻有“變焦基線”。變焦時(shí)需轉(zhuǎn)動變焦環(huán)，使變焦標(biāo)尺中所欲選的那一焦距刻線值，與鏡筒上不動的變焦基線彼此對齊。推拉式變焦距攝影鏡頭又稱單環(huán)式變焦距鏡頭。此類攝影鏡頭的變焦環(huán)與調(diào)焦環(huán)彼此合二為一，稱為調(diào)焦變焦環(huán)。轉(zhuǎn)動該環(huán)可進(jìn)行調(diào)焦，推拉該環(huán)又可進(jìn)行變焦。3.2.2 變焦

50、距照相鏡頭的特點(diǎn)變焦距攝影鏡頭的特點(diǎn)：變焦距攝影鏡頭的焦距值大小可連續(xù)、迅速進(jìn)行改變，因而一個(gè)變焦距攝影鏡頭，可以兼起若干個(gè)定焦距攝影鏡頭的類似作用，即變焦距攝影鏡頭具有“一頭多用”的特點(diǎn)，從而使用靈活、方便，便于靈活選擇畫面構(gòu)圖方式，甚至可起到定焦距攝影鏡頭所無法完成的特殊作用。使得該鏡頭操作迅速、方便，并可節(jié)省頻繁更換攝影鏡頭的時(shí)間，有利于進(jìn)行抓拍。采用變焦距攝影鏡頭可減少外出攜帶器材的數(shù)量和總體積、總重量，使攜帶方便，有利于外出攝影，又花錢少。焦距的連續(xù)改變還便于攝影者在受限制的環(huán)境下從容攝影。與此同時(shí)，變焦距攝影鏡頭也存在著一系列不足之處。變焦距攝影鏡頭的最大相對孔徑雖對其長焦距端而言

51、，己設(shè)計(jì)得尚不算太小，但對其短焦距端而言，卻仍顯得較小。這是因?yàn)樽兘咕鄶z影鏡頭中的透鏡片數(shù)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而它的最大相對孔徑一般很難做得更大之故。變焦距攝影鏡頭最大相對孔徑較小的這一缺點(diǎn)將使變焦距鏡頭在較暗環(huán)境下的應(yīng)用受到限制。此外最大相對孔徑較小還將使反光取景器中的影像亮度較低，調(diào)焦困難，并易出現(xiàn)調(diào)焦誤差，從而使所攝影像清晰度降低。變焦距攝影鏡頭的最近調(diào)焦距離對其長焦距端而言，不算太遠(yuǎn)，但對其短焦距端而言卻顯得較遠(yuǎn)了。顯然，用該類鏡頭短焦距一端拍攝時(shí)，將無法移至相應(yīng)定焦距攝影鏡頭那樣近的距離處拍攝30- 33 。由于變焦距攝影鏡頭的工作狀態(tài)復(fù)雜，以至設(shè)計(jì)中很難對其在各種焦距、各種調(diào)焦距離和

52、各擋光圈數(shù)下，均作到完善的像差校正。因此，在設(shè)計(jì)和制造變焦距鏡頭時(shí)，為了兼顧上述各種焦距、調(diào)焦距離、F數(shù)的不同特點(diǎn)與不同要求，對像差校正進(jìn)行了較大的妥協(xié)，從而允許變焦距鏡頭比同級定焦距鏡頭殘存某些略大的像差。因而變焦距攝影鏡頭一般只能在變焦距標(biāo)尺中的若干焦距處，獲得較好的成像質(zhì)量，而很難在所有焦距處均獲得同樣高的成像質(zhì)量。此外，變焦距攝影鏡頭在變焦過程中一般還普遍存在著微量的像面漂移現(xiàn)象，鏡頭中控制變倍群和補(bǔ)償群運(yùn)動的精密空間凸輪也存在著尺寸誤差(包括制造、裝配誤差及因磨損后出現(xiàn)間隙而引起的誤差)，再加上變焦距鏡頭因受體積和重量等的限制，而采用部分組元調(diào)焦方式(這將使不同調(diào)焦距離下的像差大小，

53、存在著明顯差異)，以及因透鏡片數(shù)多而導(dǎo)致的雜光較大等等，這些均將導(dǎo)致變焦距攝影鏡頭所攝影像質(zhì)量的明顯降低。變焦距攝影鏡頭在變焦時(shí)，其實(shí)際光圈數(shù)往往也在微量改變，不過只要變化量未超過5%，各廠均不標(biāo)示出其變化情況，只有當(dāng)F值的變化量遠(yuǎn)大于5%而達(dá)1/3或1/2級光圈時(shí)，某些廠家才在鏡筒上標(biāo)出該變化情況。某些變焦距鏡頭對畸變像差校正得不好，殘存畸變像差有的位于短焦距端，有的位于長焦距端，也有的位于中等焦距處。變焦距攝影鏡頭在全開光圈下攝影時(shí)像差較大，而且畫面中央與邊緣的照度往往相差明顯。變焦距攝影鏡頭因鏡片數(shù)目多，所以逆光攝影時(shí)易出現(xiàn)眩光與幻影現(xiàn)象。此外，變焦距鏡頭的視角將隨變焦過程而改變，故很難

54、使固定遮光罩在各種焦距下均能有效地進(jìn)行遮光，這也是此類鏡頭眩光較嚴(yán)重的一個(gè)原因。與定焦距攝影鏡頭相比，變焦距鏡頭的體積較大、重量也較大，這對手持?jǐn)z影很不利。近年來雖有一些小型化變焦距鏡頭問世，但一般是以損失部分性能為前進(jìn)而設(shè)計(jì)的。變焦距攝影鏡頭由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高、工藝難度較大，因而成本一般較高。有些變焦距攝影鏡頭具有光學(xué)微距攝影功能，但此類鏡頭的微距擋一般在較小光圈下才可獲得較好的效果，其像質(zhì)也無法與定焦距的微距攝影鏡頭相比，且變焦距鏡頭微距擋的影像放大率也很有限，一般為1：4左右。3.3 變焦距照相鏡頭的設(shè)計(jì)本節(jié)我們會重點(diǎn)討論變焦系統(tǒng)工作過程和對它的基本要求、變焦過程中的幾個(gè)重要規(guī)律

55、、變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程以及f70-210/4-5.6變焦距照相鏡頭的基本參數(shù)及主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。3.3.1 變焦系統(tǒng)工作過程和對它的基本要求變焦系統(tǒng)工作過程和對它的基本要求：變焦系統(tǒng)要改變焦距，而每個(gè)組元焦距一經(jīng)設(shè)計(jì)與加工之后，就是固定不變的，要變焦，只能改變各組元之間的間隔。改變組元之間的間隔，系統(tǒng)的像面隨之移動，為了消除像面的移動，需要有的組元作抵消像面移動的補(bǔ)償運(yùn)動，從而產(chǎn)生不同的補(bǔ)償形式。幾個(gè)運(yùn)動組元固連在一起作同方向的移動，達(dá)到在變焦的同時(shí)能減少像面移動，這種系統(tǒng)叫光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)。各個(gè)運(yùn)動組元按不同的運(yùn)動規(guī)律作較復(fù)雜的移動，達(dá)到完全防止像面移動，這種系統(tǒng)叫機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)。它需要用機(jī)械加工辦法加工成準(zhǔn)確的凸輪，保證運(yùn)動組元的準(zhǔn)確移動，從而有效地防止有害的像面移動?，F(xiàn)在，由于機(jī)械加工水平完全有保證，從而這種補(bǔ)償形式的系統(tǒng)也就越來越顯示出它優(yōu)越性。目前，大多數(shù)變焦系統(tǒng)都屬于這種補(bǔ)償形式。變焦系統(tǒng)的使用，應(yīng)滿足好下基本要求：均勻改變焦距；變焦過程中像面保持穩(wěn)定；相對孔徑基本保持不變；成像質(zhì)量符合要求。3.3.2 變焦過程中的幾個(gè)重要規(guī)律(1) 系統(tǒng)焦距的改變是依靠組元之間間隔的改變來實(shí)現(xiàn)的；(2) 系統(tǒng)像面的穩(wěn)定，即像面位移補(bǔ)償依賴于各個(gè)運(yùn)動組元共軛距改變量的總和為零來實(shí)面；(3) 物像變換原則。變焦系統(tǒng)的任何運(yùn)動組元每時(shí)每刻都有兩個(gè)物像交換位置，對每個(gè)運(yùn)動組元都存在