（光学工程专业论文）长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究.pdf

摘要 最近几年，随着现代照相镜头技术的发展，极大地促进了长焦连续变倍单镜头 反光照相镜头技术的发展，而照相镜头技术也是现代光电子高科技产业的典型代表。 在对国内外单反照相镜头的发展进行了认真分析和研究后，详细地介绍了长焦连续 变倍镜头设计的原理、系统初始结构的选择、常用的系统机械结构，以及镜头内部 结构的联系等，还对照相镜头的装配和调校编排了工艺流程，对镜头检测需要达到 的标准都做了详细叙述。同时还对所装的样机镜头进行了测试，得出了相应的结论。 并对今后照相镜头的发展提出了系统改进方向。 关键词：长焦连续变倍，单反镜头，照相镜头 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , t h em o d e mi m a g i n gt e d m o l o g yg r o w ss of a s tt h a ti tf o r m sa n i n d u s t r y , w h i c hi sa l s oat y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no ft h eh i - t e c ho p t i c a la n de l e c t r o n i c i n d u s t r y i tm a i n l yd i s c u s s e st h ep u r p o s ea n dt h es i g n i f i c a t i o nf o rt h er e s e a r c ho nt h i s t e c h n o l o g y , a sw e l l 嬲t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f i t sd e v e l o p m e n ta b r o a d 1 f 1 圮r e s e a r c ht e c h n i q u ed i s c u s s e sh o wt od e s i g nac o n s c i o u s l yz o o m i n gl e n s u n i t w i t hl o n gf o c u s ，f o rd e t a i l s ，t h e r ea r eh o wt oc a r r yo u tt h eo p t i c a la n ds t r u c t u r a ld e s i g no f a n dh o wt oc l l s u r et h ed e s i g nt o h i e v et h er e q u i r e m e n t s 。a tt h es a m ea r t i c l em a i n l y d i s c u s s e st h ea s s e m b l i n g ，a n a l y z i n go ft h ez o o ml e n su n i t , a sw e l la si t su s a g e a l s ot h e r e l a t i v es t a n d a r df o ri n s p e c t i o ni sd i s c u s s e d 。m a i n l yf o c u s e do nt h ee q u i p m e n tr e q u i r e d d u r i n gt h ei n s p e c t i o no ft h ep a r a m e t e ro ft h el e n su n i t , 嬲w e l la st h ep r o s p e c tt ot h e f u t u r e 。 k e y w o r d s ：c o n s c i o u s l yz o o m i n gl e n s u n i tw i t hl o n gf o c u s ，s i n g l er e f l e c t i o n l e n s ，c a m e r al e n s 。 n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 1 绪论 i i 研究的目的和意义 由于变焦镜头焦距范围广，可以一镜多用，使用方便，所以受到越来越多的摄 影爱好者青睐。为了完善照相机镜头类产品的技术研究，特对此课题进行技术研究 工作。本课题所研究的就是考虑到将来产品更新换代的需要，产品开发需要先了解 有关长焦变焦镜头系列的内容和知识，就先进行长焦连续变倍单镜头反光照相镜头 的技术研究工作和理论研究工作；研究生产、加工、装配、检测变焦镜头的技术； 研究和掌握变焦镜头的技术关键点，形成一套比较完整的加工工艺和检测方法，建 立起一套先进的变焦镜头开发生产体系。同时对该课题的研究工作也具有非常大的 经济实用价值。 1 2 研究该课题的工程背景 目前，日本照相机镜头在国际市场上已占绝对优势。在国内市场上，风凰照相 机镜头类产品的销售量占据一定的市场份额，配套的各种镜头的需求量也越来越大， 为加快对广角至中焦变焦镜头的技术研究工作，特对此课题展开技术研究工作。 研究工作充分利用凤凰光学现有的强大的研发、加工、装配、检验镜头的能力， 加上现在变焦镜头的检验和装配都已经有比较成熟的经验，对鉴别率、焦距、像面 位移的检测，高低温、振动等检测手段也比较成熟。而镜头的设计主要是运用现代 光学设计z e m a x 分析软件，结合现代的光学设计理论和先进的现代加工制造技术， 通过对光学加工工艺和光学测量方法的不断创新和实验，来设计和完善变焦镜头的 加工、装配、检测等。 1 3 国内外镜头发展现状 单镜头反光照相机只有一个镜头，既用它摄影也用它取景。取景时来自被摄物 的光线经镜头聚焦，被斜置的反光镜反射到聚焦屏上成像，再经过顶部起脊的“屋 脊棱镜”反射，摄影者通过取景目镜就能观察景物、而且是上下左右都与景物相同 的影像，因此取景、调焦都十分方便。摄影时，反光镜会立刻弹起来，镜头光圈自 动收缩到预定的数值，快门开启使胶片感光；曝光结束后快门关闭，反光镜和镜头 光圈同时复位。单镜头反光相机可以随意换用与其配套的各种广角、中焦距、远摄 或变焦距镜头，也能根据需要在镜头安装近摄镜、加接延伸接环或伸缩皮腔。因此 变焦距镜头使用是十分广泛的。 1 3 i 镜头市场的分析和预测 2 0 0 6 年，在出口形势继续看好、国内市场继续保持快速增长，以及外企加大对 国内投资等因素的综合作用下，国内相机镜头行业将保持产销两旺状况。其中，日 系厂商处于垄断地位，但也面临美国柯达公司和韩国三星公司的冲击。同时，2 0 0 6 工程硕士学位论文 年也将成为数码相机企业的洗牌年。数码相机厂家利润下滑的状况迫使厂家选择退 出，如京瓷；或者进行战略调整，如索尼和佳能。在数码相机主要零部件的生产上， 台湾厂商在b a c k e n di c 方面比较活跃，而h d c 方面则在很大程度上由美国模拟器件 公司( h o i ) 主导。 2 0 0 6 年单反数码相机镜头将会异军突起：由于数码相机市场竞争日益激烈， 导致行业利润进一步摊薄，个别厂家甚至选择退出。为规避市场的低价风险，并发 挥自身的核心竞争力，从传统相机领域介入数码相机市场的厂商纷纷推出单反数码 相机，其中包括佳能、奥林巴斯、尼康等。虽然目前单反数码相机市场的规模较小， 但由于单反数码相机市场的技术壁垒较高，介入者很少，所以产品价格和利润可以 维持一定水准。因而，未来单反数码相机很有可能异军突起。 2 0 0 6 年数码相机和镜头市场的主流像素为6 0 0 万，年底有望转向7 0 0 万像素： 主流照相手机的像素数决定了主流数码相机的像素数，因为人们认定数码相机应该 比照相手机的像素数至少要高3 0 0 - 4 0 0 万。只有这个差距才能获得市场。手机市场 上的主流机型价格大约在1 5 0 0 元上下，如果2 0 0 万像素镜头照相手机想要成为主流， 价格必须降低到2 0 0 0 元上下。目前2 0 0 万像素的镜头照相手机成本大约3 0 0 美元， 按照目前的成本降低速度，1 年后2 0 0 万像素镜头照相手机的成本大约2 0 0 美元， 市场零售价格能够达到2 0 0 0 元上下，成为市场主流。2 0 0 万像素镜头照相手机的成 本在2 0 0 6 年年底不会低于1 5 0 美元，6 0 0 万像素的数码相机可以在整个2 0 0 6 年保 持主流。而2 0 0 7 年，7 0 0 万以上像素数码相机才是主流。而根据互联网调研中心 的统计，2 0 0 6 年1 1 月，中国数码相机市场6 0 0 万像素及以上数码相机的关注比例 已接近整体市场的7 0 ，而5 0 0 万像素以下的数码相机产品基本无人问津，关注比 例仅有5 2 ”。 照相手机和镜头侵蚀数码相机低端市场的市场趋势仍会持续发展。数码相机 就是用来照相，拍照的效果要合乎规格，对产品没有拍照以外的要求。消费者购买 数码相机关注的是操作的方便性、画质、色彩表现力以及曝光时间等相机拍摄能力 的技术参数。照相手机显然不是面向这样的消费者。对消费者来说，照相手机首先 是手机，从终端来说，拍照是附加应用。换言之，手机的可拍照是附加在其通信功 能基础上，即使离开了网络，拍照也不过是玩，是掩盖在手机的通信功能下的次要 应用，甚至是不显眼应用。因而，照相手机对拍摄能力的技术要求很低，远低于傻 瓜相机。消费者关注的是如何实现个性化拍法。因此，在数码相机和照相手机这两 种产品的消费者需求存在根本差别的情况下，尽管照相手机会挤占部分数码相机市 场，但并不会从根本上替代数码相机，照相手机对数码相机的冲击基本局限在低端 产品。 从以上的分析和研究可以看出，手动单反镜头的市场占有率还将会继续减少， 2 工程硕士学位论文 长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 但是还是有相当一部分的摄影爱好者还将继续使用它，并且随着日系厂商和欧美厂 商相继放弃这块市场，凤凰单反镜头在这块领域所占的份额可能还会扩大，只要自 己把产品做细和做精，单反镜头还是能够在手动单反镜头市场上占有一席之地的【”。 1 4 研究内容 照相机的镜头可以分三大类：广角、标准和长焦。然而，由于焦距受照相机画 幅的支配，不易确定每类镜头的焦距。标准镜头的焦距与影象画幅的对角线大致相 等。对3 5 毫米照相机而言，其底片的对角线长约5 0 毫米，因此焦距为5 0 5 5 毫米 的镜头的被认为是标准镜头，而8 0 毫米的镜头被认为是中长焦镜头。6 6 厘米底 片的对角线长约8 0 毫米，所以8 0 毫米的镜头为中画幅照相机的标准镜头。使用带 标准镜头的3 5 毫米照相机和中画幅照相机的拍摄同一场景，相同被摄体部分大致成 相同的比例，但底片尺寸往往不同。镜头的焦距可以影响视场角、放大率、景深及 透视度。传统1 3 5 相机所使用的底片的尺寸是1 7 英寸，而消费级数码相机的感光 芯片的尺寸则小得多，大约在1 3 英寸到2 3 英寸之间。由于感光面小的原因，数 码相机的镜头焦距也会较传统1 3 5 相机来得短，且感光芯片尺寸越小，实际焦距越 短。变焦镜头是一种从广角焦距到望远焦距，可以自由伸缩，以取得自己需要的图 像大小，而不必改变摄影位置的镜头，应用上相当方便，最常用的是2 8 8 5 m m ( 或 7 0 2 1 0 m ) 的变焦镜头，一只镜头涵盖广角、标准、望远嘲。 根据长焦变焦镜头的特点，本课题的技术研究工作包含以下一些主要内容： 准备和收集长焦变焦镜头各种技术资料的工作，查找相关国、内外文献，对 相关变焦镜头的专利结构进行分析，并有针对性的对尼康、佳能等镜头资料进行研 究。确定论文研究的关键点，在导师的指导下进行变焦镜头理论知识的技术研究工 作。 具体的分析和研究f 7 0 2 1 0 4 - 5 6 变焦距照相镜头课题。主要是研究如何进 行该款交焦镜头的初始结构设计；如何分析变焦系统各相关机构的运动和联系；研 究如何合理的对变焦镜头进行装校、检测等，逐步完成论文的主体框架； 把前期收集、撰写的资料和一些分析、结果进行整理，随后在导师的指导下 进行论文的最后归纳、总结，完成论文的技术研究工作。 1 5 小结 照相镜头是一个十分广阔和复杂的技术领域，现代照相镜头技术已经向自动化 和智能化方向发展，同时这些技术又在很大程度上取决于光学、电子、机械技术的 发展，因此，通过上面的分析和论证，我们认为研究长焦连续变倍单镜头反光照相 镜头技术这个课题是非常必要的，它必将对我国光学和电子、机械工业等方面产生 积极而有意义的影响，同时高像质的照相镜头还能对我国的国防事业的发展产生深 远的影响。 3 t 7 0 - 2 1 0 4 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述 工程硕士学位论文 2f t o 一2 1 0 4 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述 2 1 摄影镜头种类和变焦距镜头原理概述 照相机变焦镜头是焦距在一定范围内变化而保持像面稳定的照相镜头。变焦方 式从使用上来说可分为二种：推拉式和旋转式从原理上来分，可分为恒定光圈和非 恒定光圈二种。精确调焦后，可在胶片乳剂平面上结成被调焦主体平面的最清晰影 像。也只有调焦时所针对之被摄主体平面处的景物才可获得最清晰的影像，即对谁 调焦谁最清晰。而位于被调焦之被摄主体平面前后的景物在理论上均将发虚。而且 位于该被调焦物平面前后的景物的具体清晰度，将视距该被调焦物平面的远近不同 而有所不同。其中距离被调焦物平面愈远者，则其影像相对变虚得愈严重，亦即其 清晰度相对愈低；而距离被调焦物平面愈近者，则其影像相对变虚得愈轻微，亦即 其清晰度相对愈高。调焦距离& 摄影镜头的调焦距离s 指自被调焦物平面( 即被 摄主体平面) 至曝光窗平面( 即感光胶片乳剂平面) 之间的距离。 2 1 1 摄影镜头的种类与调焦方式 ( 1 ) 调焦的意义与方式：照相前，精确的测距结果是准确调焦的依据，从而也 是获得清晰影像的必要前提条件。当被摄主体平面( 即被调焦物平面) 和照相机机 身的位置分别确定后，沿摄影镜头光轴方向，前后调节摄影镜头焦平面与曝光窗平 面之间的相互位置关系，以改变二者间之焦像距x 的大小，使最终所获得之“物距、 像距、焦距”三数值之间的相互关系，刚好符合高斯公式要求的调节过程，亦即使 被摄主体的理想像平面刚好与感光胶片乳剂平面精确重合的调节过程，称为调焦。 根据调焦时所调节的元件不同，将导致调焦时所改变的拍摄参数种类有别。 调焦时使摄影镜头光学系统整组前后位移，以改变摄影镜头焦平面的前后位 置，即同时令物距与像距改变。 调焦时使机身上曝光窗平面的位置相对焦平面前后位移，从而使焦平面与曝 光窗平面之间的焦像距改变。 调焦时使摄影镜头光学系统的部分组元前后位移，以微量改变摄影镜头的焦 距与焦平面的前后位置，即同时令物距、像距、焦距三者改变。 ( 2 ) 调焦的性能指标：测距、调焦精度高：测距系统所测距离值( 测距后摄影 镜头所指示的距离刻度) 与被摄主体此刻的实际调焦距离值，及照相机此刻的实际 调焦状态三者应精确一致。为此要求：镜头的像面定位距与机身的像面定位距应精 确匹配，且调焦时摄影镜头上的调焦距离刻度值与感光胶片乳剂平面的实际调焦距 离值精确一致。调焦屏成像平面至摄影镜头间的光学距离与感光胶片乳剂平面至摄 影镜头间的光学距离应精确一致。自动调焦系统测距分段愈密、段数愈多，调焦精 度愈高；调焦驱动信号的脉冲频率愈高调焦精度愈高。调焦范围大：调焦环的最近 4 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 调焦距离愈近愈好。对铅垂线条与水平线条均具有精确测距的能力。自动调焦的速 度快：要求驱动自动调焦的电机驱动力矩足够大、启动快、惯性小，并且测距运算 电路运算速度快。环境亮度适应性好：能正常进行自动调焦的亮度范围宽，即在较 暗环境下仍能进行精确测距、调焦。自动调焦的测距区域愈多、且分布较宽广愈好。 a f 与m f 的兼容性好：摄影镜头在a f 状态下可否随时进行手控调焦，并且a f 摄 影镜头可否使用在传统手控照相机上拍摄。 ( 3 ) 调焦模式：若按调焦时的操作方式分类，调焦模式主要有手控调焦的盯 模式与自动调焦的a f 模式二种。盯模式指需用手操作调焦环进行调焦，且为可无 级、连续调节的调焦方式。师模式又包含全手控l i f 模式与有电子调焦信号的m f 模 式两种类型。前组调焦：前组调焦模式在调焦时仅控制光学系统的前组镜片微量前 后位移，从而微量改变摄影镜头的焦距值，及其焦平面的前后位置，使调焦得以实 现。此模式在调焦时镜简长度略有变化，但伸缩量很小。 前组调焦模式常应用于变焦距摄影镜头上，因此类摄影镜头体积和重量较大， 不宜进行整组调焦。内调焦i f ( i n t e r n a lf o c u s i n g ) ：内调焦模式在调焦时仅控制 光学系统内部的少量镜片作微量前后位移，从而微量改变摄影镜头的焦距值，及其 焦平面的前后位置，使调焦得以实现。内调焦模式在调焦时镜筒长度不变。此模式 常应用于超摄远摄影镜头上，因这类摄影镜头的体积长，整组调焦易使照相机重心 改变而不稳，而内调焦还可使调焦环的转角较小。正因为内调焦模式所需驱动的透 镜片数较少，使调焦所需的驱动力矩显著降低，故此该模式特别有利于改用微型马 达驱动调焦组位移，从而轻易就实现了自动调焦此即局部位移式a f 模式。 摄影镜头的种类繁多。依据焦距值能否调节，可将摄影镜头分为定焦距摄影镜 头与变焦距摄影镜头两大类；依据用途又可将摄影镜头分为普通摄影镜头与特殊摄 影镜头两大类。 定焦距摄影镜头：定焦距摄影镜头指焦距固定不变的摄影镜头：根据焦距的 长短，可将拍摄同尺寸画幅的定焦距摄影镜头分为鱼眼摄影镜头、短焦距摄影镜头、 标准摄影镜头、长焦距摄影镜头四类。焦距的长短划分并不以焦距的绝对值为首要 标准，而以像角的大小为主要区分依据。故所摄画幅大小不等时，其标准镜头的焦 距大小也就不同。 鱼眼摄影镜头：鱼眼摄影镜头前端第一片透镜的前表面，向前明显凸起，第一 片透镜的前顶点远远高出镜筒，好似鼓起的金鱼眼。鱼眼摄影镜头的焦距很短。在 1 3 5 照相机系列中，鱼眼摄影镜头的焦距范围一般为6 m 至1 6 m m 。鱼眼摄影镜头的 像场照度比较均匀，但存在着严重的畸变像差，影像的失真比任何摄影镜头都大。 鱼眼摄影镜头按其设计原理不同而分为三类：等距投影型、正投影型、等立体角投 影型。目前出售的鱼眼摄影镜头绝大部分属于等距投影型鱼眼摄影镜头。等距投影 5 f 7 0 - 2 1 0 4 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述工程硕士学位论文 型鱼眼摄影镜头主要有两种形式：一种为圆画幅式鱼眼摄影镜头，它的最大像场比 照相机曝光窗小，并且呈圆形，其水平视角与垂直视角相等，这类镜头又称圆画幅 式鱼眼镜头；另一种为矩形画幅式鱼眼摄影镜头，它的最大像场比照相机曝光窗大， 其对角线视角为1 8 0 。，其水平视角和垂直视角不等，均小于1 8 0 。，这类镜头又称 对角线式鱼眼镜头。相比之下，矩形画幅式鱼眼摄影镜头的焦距一般比圆画幅式鱼 眼摄影镜头的焦距略大。由于矩形画幅式鱼眼摄影镜头可使影像充满整个曝光窗， 所以可充分利用画面，如焦距1 6 m 、1 ：2 8 的鱼眼摄影镜头。鱼眼摄影镜头按有无 调焦环可分为普通调焦型与预调焦型两种类型。 短焦距摄影镜头：焦距比标准摄影镜头短，同时又比鱼眼摄影镜头长的摄影镜 头，称为短焦距摄影镜头。此类镜头又细分为超广角摄影镜头( s u p e rw i d ea n g l e 、 u l t r aw i d ea n g l e ) 和普通广角摄影镜头( w i d ea n g l e ) 二类。其中前者的焦距接近鱼 眼摄影镜头，后者的焦距接近标准镜头。在1 3 5 照相机的摄影镜头系列中，一般把 焦距自1 7 毫米至2 l 毫米的镜头( 即视角大于9 0 。的非鱼眼镜头) ，称为超广角摄影 镜头( 目前日本尼康公司生产出了焦距1 3 毫米、l ：5 6 、视角1 1 8 。的超广角摄影 镜头) ；把焦距等于或大于2 4 毫米、而又比标准镜头焦距短的摄影镜头，称为普通 广角摄影镜头。短焦距摄影镜头的最近调焦距离般比其它镜头近得多，例如可近 至0 2 5 米至0 3 米处拍摄。短焦距摄影镜头的最大相对孔径，介于标准镜头与长焦 距镜头之间，因此较大。短焦距摄影镜头的光圈数，一般难于做得很小，通常为f 1 6 ， 很少有f 2 2 、f 3 2 诸挡。超广角镜头与鱼眼镜头的最大区别，除了焦距的长短、视 角的大小外，尚有画面畸变的校正程度，前者有意进行了校正，以尽量使畸变像差 有所降低，而后者保留了畸变像差，未予校正。短焦距摄影镜头像场边缘的照度较 低。选购短焦距摄影镜头时，应注意检验其所结成的影像，是否存在画面中心明亮， 四角过于暗的明显缺陷。单镜头反光照相机的短焦距镜头一般采用反摄远型结构， 故其体积比标准镜头大，长度也较长。 标准摄影镜头：标准摄影镜头的焦距、视角等均较适中。其所摄画面中景物之 间所呈现出的透视关系，与人跟视觉所感觉到的透视关系非常相似，故自然、逼真 再现性强。标准摄影镜头的像差一般较易校正，所以其成像质量一般比同档次的其 它镜头好，且最大相对孔径易于制做得较大，从而对低照度下摄影非常有利。在单 镜头反光照相机的全部摄影镜头中，标准镜头的体积最小，故易于携带。 长焦距摄影镜头：焦距比标准摄影镜头长的摄影镜头，称为长焦距摄影镜头。 此类摄影镜头按焦距长短，一般又细分为普通摄远镜头( t e l e p h o t o ) 和超摄远镜头 ( s u p e rt e l e p h o t o 、u l t r at e l e p h o t o ) 两类。其中前者的焦距较接近标准摄影镜 头，后者的焦距远大于标准摄影镜头。在1 3 5 单镜头反光照相机的摄影镜头系列中， 一般把焦距自8 5 毫米至3 0 0 毫米的摄影镜头称为普通摄远镜头，把焦距自3 0 0 毫米 6 工程硕士学位论文 长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 至2 0 0 0 毫米的摄影镜头称为超摄远镜头。长焦距摄影镜头按结构类型，还可细分为 下列两大类：折射型长焦距摄影镜头，折反射型长焦距摄影镜头( r e f l e x ) ，后者仅 采用在部分焦距自4 0 0 毫米至2 0 0 0 毫米的摄影镜头上，折射式长焦距摄影镜头的外 形特点是细长，此类产品最多、最普遍。折反式长焦距摄影镜头的外形特点是短粗， 第一片透镜的中央不透光，镜头中无光圈叶片，成像光线在前进过程中不但有折射， 而且有反射。 长焦距摄影镜头的视角较窄，故此拍摄时摄影镜头的轻微抖动，对所摄影像清 晰度的影响非常明显。为此当使用长焦距摄影镜头拍摄时，要求必须先将摄影镜头 与照相机或摄影机稳妥地安装在高品质的三脚架上，尔后再拍摄，以免所摄影像发 虚。长焦距摄影镜头的体积远较标准镜头大一既比标准镜头长、又比标准镜头粗， 故较笨重。其中超摄远镜头由于体积过大而不便携带，价格昂贵，并且应用机率远 不如普通摄远镜头多。由于长焦距镜头焦距较长，而透镜片的直径不容易、也不宜 加工得太大( 若镜片直径太大，则将使镜头重量和体积增大，不易携带使用) ，因而 长焦距摄影镜头的最大相对孔径一般较小。显然较小的最大相对孔径，不但对低照 度条件下的摄影非常不利，而且对3 5 毫米照相机的裂像式调焦验证不利，易出现一 半裂像镜变黑的现象。长焦距镜头的最小光圈一般可做得较小，达f 3 2 甚至f 4 5 以 上，从而对改善景深有益。长焦距摄影镜头的最近调焦距离一般相对较远。在对摄 远型、超摄远型摄影镜头进行光学设计时，一些厂家将其最佳拍摄距离设计在5 1 倍焦距处，故在此距离下拍摄，可获得最佳、最出色的影像质量，反之，若在最近 距离处拍摄，则一般无法获得最佳成像质量，其中画幅边缘处的影像质量所受到的 影响尤为明显( 也有的厂家将最佳拍摄距离设计在2 6 倍焦距处) 。长焦距摄影镜头 一般像场照度均匀，畸变校正得好。近年来，由于低色散光学玻璃e d ( e x t r al o w d i s p e r s i o n ) 的研制和应用成功，使长焦距摄影镜头的色差明显降低，且镜头体积 和外形明显缩小，还改善了像场照度和镜头的操作性能，以至使摄影者能使用安装 6 0 0 毫米镜头的1 3 5 照相机进行手持拍摄。某些采用低色散玻璃的摄影镜头的镜筒 上，甚至没有红外线调焦基线，当使用红外线胶片摄影时无需进行调焦补偿。长焦 距摄影镜头由于透镜片直径较大，产生杂光的可能较标准镜头略多，再加上色差等 的影响，分辨率一般比同级别的标准镜头为低。此外长焦距摄影镜头一般多用于拍 摄远处物体，而远处物体的清晰度因受大气状况的影响较大，故此拍摄远处景物时 很难做到时时均最清晰。 变焦距摄影镜头：焦距可以改变的摄影镜头称为变焦距摄影镜头。在变焦距 摄影镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变 焦距摄影镜头最长焦距值与最短焦距值的比值，称为该镜头的变焦倍率，简称变倍 率。变焦距摄影镜头还常用其变焦倍率表示。 7 f 7 0 - 2 1 0 4 - 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述工程硕士学位论文 2 1 2 变焦距照相镜头的种类和特点 变焦距摄影镜头的原理：当两光学系统前后叠加组合时，新组合之光学系统的 焦距大小，除与两独立光学系统的各自焦距有关外，还与两者主点间距的大小紧密 相关。变焦距摄影镜头正是根据上述原理，通过改变镜头内某些透镜组之间的间距， 来改变整个摄影镜头焦距的。若把变焦距摄影镜头中整个光学系统的全部透镜片从 摄影成像功能上进行分类，变焦距光学系统可分为以下几大部分： 调焦组：一般位于变焦距摄影镜头的前部，并与调焦环联动，其作用主要供 对被摄主体进行精确调焦，简称调焦组。 变倍组：一般位于变焦距摄影镜头的中部，并与变焦环联动。其作用主要是 按倍率改变整个变焦距光学系统焦距的大小，简称变倍组。 补偿组：一般也位于变焦距摄影镜头中部，并与变倍群联动调节。其作用主 要是在改变该变焦距光学系统焦距倍率的全部过程中，以保证该变焦距光学系统的 最佳像面与感光材料平面精确吻合，即确保成像平面的前后位置保持稳定不变，简 称补偿组。 固定组：一般位于变焦距摄影镜头的后部，其主要作用是成像，以及校正前 面各组透镜残存像差的作用。在摄影过程中其前后位置基本保持不变，简称固定组。 也有的变焦距摄影镜头除有后固定组外，在镜头调焦组的前方还有一前固定组。固 定群起主要成像作用，根据变倍群和补偿群的性质分类，常见变焦距摄影镜头有负 组变倍、正组补偿，正组变倍、负组补偿，负组变倍、负组补偿三种类型。 根据变焦距摄影镜头中补偿组的运动规律进行分类，主要有机械补偿型和光学 补偿型两类。变焦距镜头又分无级( 即连续) 交焦型和分挡变焦型两类，后者目前 仅在一些早期产品中尚能见到。根据变焦环的操作方式不同，可将变焦距摄影镜头 分为旋转变焦式( 简称旋转式) 和推拉变焦式( 简称推拉式) 两类。旋转式变焦距 摄影镜头又称为转环式或双环式变焦距镜头。此类摄影镜头的变焦环与调焦环为彼 此独立的两个可转动的调节环。变焦环的外圆周上刻有变焦距标尺，镜筒上刻有“变 焦基线”。变焦时需转动变焦环，使变焦标尺中所欲选的那一焦距刻线值，与镜简上 不动的变焦基线彼此对齐。推拉式变焦距摄影镜头又称单环式变焦距镜头。此类摄 影镜头的变焦环与调焦环彼此合二为一，称为调焦变焦环。转动该环可进行调焦， 推拉该环又可进行变焦“”2 】。 变焦距摄影镜头的特点：变焦距摄影镜头的焦距值大小可连续、迅速进行改变， 因而一个变焦距摄影镜头，可以兼起若干个定焦距摄影镜头的类似作用，即变焦距 摄影镜头具有“一头多用”的特点，从而使用灵活、方便，便于灵活选择画面构图 方式，甚至可起到定焦距摄影镜头所无法完成的特殊作用。使得该镜头操作迅速、 方便，并可节省频繁更换摄影镜头的时间，有利于进行抓拍。采用变焦距摄影镜头 8 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 可减少外出携带器材的数量和总体积、总重量，使携带方便，有利于外出摄影，又 花钱少。焦距的连续改变还便于摄影者在受限制的环境下从容摄影。与此同时，变 焦距摄影镜头也存在着一系列不足之处。变焦距摄影镜头的最大相对孔径虽对其长 焦距端而言，己设计得尚不算太小，但对其短焦距端而言，却仍显得较小。这是因 为变焦距摄影镜头中的透镜片数较多、结构复杂，因而它的最大相对孔径一般很难 做得更大之故。变焦距摄影镜头最大相对孔径较小的这一缺点，将使变焦距镜头在 较暗环境下的应用受到限制。此外最大相对孔径较小还将使反光取景器中的影像亮 度较低，调焦困难，并易出现调焦误差，从而使所摄影像清晰度降低。变焦距摄影 镜头的最近调焦距离对其长焦距端而言，不算太远，但对其短焦距端而言却显得较 远了。显然，用该类镜头短焦距一端拍摄时，将无法移至相应定焦距摄影镜头那样 近的距离处拍摄。 由于变焦距摄影镜头的工作状态复杂，以至设计中很难对其在各种焦距、各种 调焦距离和各挡光圈数下，均作到完善的像差校正。因此，在设计和制造变焦距镜 头时，为了兼顾上述各种焦距、调焦距离、f 数的不同特点与不同要求，对像差校 正进行了较大的妥协，从而允许变焦距镜头比同级定焦距镜头残存某些略大的像差。 因而变焦距摄影镜头一般只能在变焦距标尺中的若干焦距处，获得较好的成像质量， 而很难在所有焦距处均获得同样高的成像质量。此外，变焦距摄影镜头在变焦过程 中一般还普遍存在着微量的像面漂移现象，镜头中控制变倍群和补偿群运动的精密 空间凸轮也存在着尺寸误差( 包括制造、装配误差及因磨损后出现间隙而引起的误 差) ，再加上变焦距镜头因受体积和重量等的限制，而采用部分组元调焦方式( 这将 使不同调焦距离下的像差大小，存在着明显差异) ，以及因透镜片数多而导致的杂光 较大等等，这些均将导致变焦距摄影镜头所摄影像质量的明显降低。变焦距摄影镜 头在变焦时，其实际光圈数往往也在微量改变，不过只要变化量未超过5 ，各厂均 不标示出其变化情况，只有当f 值的变化量远大于5 而达1 3 或1 2 级光圈时，某 些厂家才在镜筒上标出该变化情况。 某些变焦距镜头对畸变像差校正得不好，残存畸变像差有的位于短焦距端，有 的位于长焦距端，也有的位于中等焦距处。变焦距摄影镜头在全开光圈下摄影时像 差较大，而且画面中央与边缘的照度往往相差明显。变焦距摄影镜头因镜片数目多， 所以逆光摄影时易出现眩光与幻影现象。此外，变焦距镜头的视角将随变焦过程而 改变，故很难使固定遮光罩在各种焦距下均能有效地进行遮光，这也是此类镜头眩 光较严重的一个原因。与定焦距摄影镜头相比，变焦距镜头的体积较大、重量也较 大，这对手持摄影很不利。近年来虽有一些小型化变焦距镜头问世，但一般是以损 失部分性能为前进而设计的。变焦距摄影镜头由于结构复杂、精度要求较高、工艺 难度较大，因而成本一般较高。 9 f 7 0 2 1 0 4 - 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述 工程硕士学位论文 有些变焦距摄影镜头具有光学微距摄影功能，但此类镜头的微距挡一般在较小光 圈下才可获得较好的效果，其像质也无法与定焦距的微距摄影镜头相比，且变焦距 镜头微距挡的影像放大率也很有限，一般为i ：4 左右o ”。 2 2 变焦距照相镜头光学设计 ( 1 ) 变焦系统工作过程和对它的基本要求：变焦系统要改变焦距，而每个组元 焦距一经设计与加工之后，就是固定不变的，要变焦，只能改变各组元之间的间隔。 改变组元这间的间隔，系统的像面随之移动，为了消除像面的移动，需要有的组元 作抵消像面移动的补偿运动，从而产生不同的补偿形式。几个运动组元固连在一起 作同方向的移动，达到在变焦的同时能减少像面移动，这种系统叫光学补偿系统。 各个运动组元按不同的运动规律作较复杂的移动，达到完全防止像面移动，这种系 统叫机械补偿系统。它需要用机械加工办法加工成准确的凸轮，保证运动组元的准 确移动，从而有效地防止有害的像面移动。现在，由于机械加工水平完全有保证， 从而这种补偿形式的系统也就越来越显示出它优越性。目前，大多数变焦系统都属 于这种补偿形式。变焦系统的使用，应满足好下基本要求：均匀改变焦距；变焦过 程中像面保持稳定；相对孔径基本保持不变；成像质量符合要求“”。 ( 2 ) 变焦过程中的几个重要规律：系统焦距的改变是依靠组元之间间隔的改 变来实现的。系统像面的稳定，即像面位移补偿依赖于各个运动组元共轭距改变 量的总和为零来实面。物像变换原则。变焦系统的任何运动组元每时每刻都有两 个物像交换位置，对每个运动组元都存在孪生的两条补偿曲线。组元在这一对物像 位交换位置上共轭距不变。 ( 3 ) 变焦系统设计过程：主要包括两个阶段，变焦系统高斯解的阶段和消像差 设计阶段。主要是决定采用何种型式，如决定选取正组补偿还是负组补偿及双组联 动；决定补偿组焦距。在正组补偿系统中，设法用变倍组及后固定组的二级光谱去 抵消前固定组及补偿组的二级光谱，为了确定一个组元由几个透镜组成，首先必须 了解该组元的最大光线高度和最大相对孔径。若两个组元相对孔径一样，但对光线 高度高的一个组份，视情况应选用更复杂的结构形式。为了在组元内作到正确地分 配光焦度，往往要使组元内单透镜的光焦度高于胶合透镜的光焦度。以前固定组使 光焦度分配越来越递增，对变倍组应顺序使光焦度分配越来越降低，才符合光束的 走向。 日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响， 要对一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异， 这种成像的差异就称为镜头( 或成像光学系统) 的像差。从某种意义上来说，任何 光学系统都存在有一定程度的像差，而且从理论上来讲总也不可能将它们完全消除。 肉眼和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要像差的数值小于一定的 1 0 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 限度，我们就认为该系统的像差得到了校正。下面我们简单扼要介绍照相镜头的像 差分类、形成和矫正方法。透镜的像差可以分成两大类：单色像差及色像差。如果 镜头只对单色光成像，那么共有五种性质不同的像差它们是影响成像清晰度的球 差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变“”1 。 球差：由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成像后，由于透镜球面 上各点的聚光能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心 的对称的弥散斑，这种像差称为球差，球差的大小与物点位置和成像光束的孔径角 大小有关。当物点位置确定后，孔径角越小所产生的球差也就越小。随着孔径角的 增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。在照相镜头中，光圈数增加一档( 光 孔缩小一档) ，球差就缩小一半。因此在拍摄时，只要光线强度允许，就应该使用较 小的光圈拍照，以便减小球差的影响。 彗差：光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面 上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着 一个由细到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束 引起的像差称为彗差。彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。 彗差的大小既与孔径有关，也与视场有关。在拍摄时与球差一样，可采取适当收小 光孔的办法来减少彗差对成像的影响。摄影界一般将球差和彗差所引起的模糊现象 称为光晕。在绝大多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。由于轴外像差的存在， 我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高，至多一致，即两者具有相同的成像缺 陷，此时我们称等晕成像。随着相对孔径的增大，球差和彗差的校正将更加困难， 放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那档光圈渐晕最小，在可 能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成像质量2 2 “。 象散：象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成像缺陷的 一种像差，仅与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的 会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的像差，称为象 散。子午细光束的会聚点与孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大小，就 是象散的数值。由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，即使光圈开得很 小，在子午和弧矢方向均无法同时获得非常清晰的影象。象散的大小仅与视场角有 关，而与孔径大小无关。因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使 被摄体处于画面的中心。 场曲：当垂直于光轴的物平面经光学系统后不成像在同一象平面内，而在一以 光轴为对称的弯曲表面上，这种成像缺陷称为场曲。场曲也是与孔径无关的一种像 差。由于象散的存在，子午细光束所形成的弯曲象面与弧矢细光束所形成的弯曲象 面往往不重合，它们分别称为子午场曲x t 和弧矢场曲x s 。用存在场曲的镜头拍照 f 7 0 - 2 1 0 4 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述工程硕士学位论文 时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；而当调焦至画面四周影 象清晰时，画面中央处的影象又开始模糊，无法在平直的象平面上获得中心与四周 都清晰的象。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的 影响。因为广角镜头的场曲总是比一般镜头大，因此在拍团体照时将被摄体作圆弧 形排列，就是为了提高边缘视场的象质。 畸变：畸变是指物体所成的象在形状上的变形。畸变并不影响象的清晰度，只 影响物象的相似性。由于畸变的存在，物空间的一条直线在象方就变成一条曲线， 造成像的失真。畸变分桶形畸变和枕形畸变两种。畸变与相对孔径无关，仅与镜头 的视场有关。所以在使用广角镜头时要特别注意畸变的影响。 色散：我们看到的白光，都是由七色光合成的。而不同颜色的光线，其波长也 不同。光学玻璃的折射率又与波长有关。波长不同，折射率不同。波长短，折射率 大，波长长，折射率小。当白光通过三菱镜时，我们会看到七色光谱。这种由于波 长不同而引起的光谱便成为色散现象。色散对于成像的影响就显而易见了。首先， 由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊：其 次，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，画面边缘部分明暗交界处会有彩虹 的边缘。对于长焦镜头而言，由于其焦点距离较长，色散影响较大，如何矫正色散， 便成了长焦镜头如何获得鲜艳明亮颜色的关键所在。 ( 4 ) f 7 0 2 1 0 4 - 5 6 变焦距照相镜头的基本参数及主要设计性能指标： 名义焦距：7 0 2 1 0 毫米； 最大相对孔径：f 4 ( 焦距为7 0 毫米时) ； 视场角：3 5 。一1 1 8 。； 卡口型式：p k 或帅卡口： 质量特性指标等级：j 2 ； 最近摄影距离：1 1 米，微距：0 8 米； 光学系统采用的初始结构：三组移动机械补偿式，见图2 2 1 示： 123 1 2 l 、 1 jl i、r 1r r 图2 2 1f t o 一2 1 0 光学系统初始结构示意图 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 光学系统参数可见图2 2 2 ： 幽 静 1 1 - i _ l 1i i t _ 垩里 j ，j _ _ i 酬g 一_ d - i 1 1 l l l n 删i 佃i 川i 位i u i l l l ii 川ii ￥u 桦 e l l l l l n l ：i i i i i - 州fr 。i 一胃r f 7 0 - 2 1 0 4 5 6 变焦距照相镜头系统设计概述 工程硕士学位论文 图2 2 4f 7 0 - 2 1 0 光学系统z e m a x 二维系统图 2 3f 7 0 2 1 0 变焦距照相镜头结构设计 1 4 图2 3 1f 7 0 - 2 1 0 变焦镜头结构图 f 7 0 - 2 1 0 变焦距照相镜头结构可见图2 3 1 。照相机变焦镜头是焦距在一定范围 工程硕士学位论文长焦连续变倍单镜头反光照相镜头技术研究 内连续变化而保持像面稳定的照相镜头。变焦方式从使用上来说可分为二种：推拉式 和旋转式从原理上来分，可分为恒定光圈和非恒定光圈二种本产品为非恒定光圈 推拉式，机构方案如下。机械补偿式变焦机构：采用机械补偿凸轮来严格控制各光学 镜组之间的光学间隔。 变焦机构原理如下：整个变焦机构由四个有相对运动的轴套组成：内镜筒( 包 括变焦组、补偿组) 、变焦内筒、变焦曲线筒、多头螺纹筒。变焦内筒通过景深筒等 环节与卡口刚性连接，即，当装于照相机上时处于静止位置。距离指示筒通过细牙螺 纹与多头螺纹筒连接。变焦导钉一处固定于变焦组，另一处固定于补偿组。嵌于变 焦内简直槽内，使变焦组和补偿组只能沿直槽作轴向移动。变焦时拉拔橡胶饰圈、 带动距离指示筒、多头螺纹筒作轴向移动。由于竖槽螺钉的作用，使多头螺纹筒在 作轴向移动的同时，沿直螺旋线槽作均匀转动。由于多头螺纹筒上一种螺旋槽嵌接 一处变焦导钉，控制变焦组；另一处螺旋槽嵌接另一处变焦导钉，控制补偿组。当 多头螺旋筒作均匀转动时，就使变焦组和补偿组沿设计的螺旋曲线作轴向移动，从 而保证所设计的光学间隔。 光圈传动机构：光圈f 值是以2 为公比的等比级数，对应的光圈面积又以公比 为2 的等比级数递减( 或递增) ，而光圈的标定值之间距离若以等比级数递减便无法 制作。因此总是按等间隔印制( 刻制) 光圈数。为此，在光圈动片与光圈标定环之 间需要设计光圈补偿凸轮机构，以达到等间隔制作光圈值的目的。由于牵涉到光圈 叶片、光圈动片、光圈定片、光圈凸轮、光圈连动环等众多零件，作几个平面运动， 计算较为复杂，但又必须十分准确。光圈装定机构：光圈装定机构的作用是预先装定 所需要的光圈值，使曝光时按此值曝光，同时又要把装定讯号传递给机身进行曝光 计算。光圈机构由光圈叶片、定片、动片等组成，光圈孔径的大小完全由动片带动叶 片