照相机构造原理(7)――镜筒与光阑.doc

照相机构造原理（7）镜筒与光阑一、 镜筒 与一般光学仪器相比较，照相机镜头的结构较为复杂，往往由相当数量的镜片所组成。这些镜片在进行光学设计时，其相对位置都是当作完全理想情况来进行设计处理的。设计时的象质是在完全同心和无间隔偏差这样完全理想条件的前提下完成像差校正存在不同心度和间隔误差，影响镜头装配后的象质。所以对一个好镜头而言，它应具有良好和合理的镜框和镜筒设计。而且还应该为它设计一个好的装配方法，以使各镜片连接后的同心度误差和间隔误差控制在一定范围之内，以保证各镜片组合后具有良好的成像质量。 通常具有三种镜筒结构设计方式，即互换法镜筒结构设计、修配法镜筒结构设计、调整法镜筒结构设计。对于大批量生产、结构简单、要求一般的镜头都采用互换法镜筒结构设计。它是将镜片直接放置在镜筒内，利用镜片间的叠合、间隔垫圈或镜筒内的尺寸间隔关系，保证各镜片的同心度与空间间隔。同心度的保证是依靠单个零件的加工精度，各镜片与镜框连接可在专用装配车床上，通过定中仪对准、定中后保证同心度要求。空间间隔的保证是通过加工时控制尺寸链来达到。 修配法的镜筒结构基本特点是镜片间同心度与空间间隔通过统一基准面，一次定位加工获得，定位精度高，没有积累误差。但它加工复杂，成本高，适用于优质且结构复杂的高档照相机镜头，电影摄影镜头等。 调整法镜筒结构主要是利用镜头光组中比较灵敏的环节，即对象差校正和补偿影响较大的镜片组，加上调整环节，进行调节补偿。 上述三种镜筒结构设计，在实际应用时，有时是相互结合使用的，在可能情况下应尽量使用互换法。 照相镜头的最后调试是厂家借助专门的测试仪器，如光具座、鉴别率测试仪来完成的。出厂前都经过逐个检查，以保证成像质量。若最终发现象质有问题，应交专业维修人员检查，切勿自行拆卸以防不测。二、 光阑 照相镜头的光阑可分为视场光阑和孔径光阑两大类。 视场光阑的作用是限制成像范围，如照相机胶片前面的画幅框（又称片框）限制了象面视场，则片框即为镜头的视场光阑。照相机中一般所述的光阑，俗称光圈是指照相机的孔径光阑，用以控制胶片上的照度和获得不同的景深。镜头孔径光阑的位置，在镜头开始设计时便被确定了。若移动光阑与镜片的相对位置，镜头的成像情况将发生改变。基于象差的原委，光阑一般都安置在镜头的中间。近年来小型35mm镜头快门照相机不断追求小型袖珍化，为便于镜头专业化大批量生产，在许多塑料相机中已将光阑移至镜后，即镜后快门无后组方式，称单边结构形式。 光阑是由光阑叶片、光阑动圈、定圈组成，并通过光圈调节环及传动控制机构来控制光阑叶片的运动。当转动光圈调节坏时，光阑叶片随之转动，叶片之间围成的孔径面积发生变化，改变了镜头的相对孔径值，调节了象面的照度。 由于象面的照度与(D*D/f*f)成正比，要使象面照度降低一半，D（入幢直径）必须缩小1.414倍，即D=D/1.414，此时才有（D*D/f*f=D*D/2*f*f）。可见摄影镜头的光圈数F是按1.414的倍数来变化的。光圈数可由公式F=1.414*1.414*,n=0，1，2，来求得，这样得到的F数系列为1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16但镜头的最大F数如F1.7、F3.5等可以不在系列光圈值内。光圈数系列的制订，保证了光圈改变一档，象面照度变化1倍。这样一档光圈便与一档快门速度对应起来。转动光圈调节环，还可以发现各档光圈之间的转角是相同的，这是现代照相机镜头结构的又一特点，这种结构称为等间隔可变光阑。光阑值每差一档，光圈调节环就转动一个固定的角度。调节环的等角度转动，不仅使操作手感相同，而且能方便地把光阑变化信息通过线性电位器转换成电信号，传送到测光（或自动曝光）控制系统。 以上所述的光圈，称之为F制光圈，它仅仅考虑了镜头的有效孔径D和镜头焦距f之间的几何关系。实际上光线通过光组时，由于镜头对光线的吸收或反射将会造成光能的损失，此时即使镜头具有相同的光圈数（F值），仍有可能使胶片获得完全不同的曝光量，甚至相差达l1/2档。因此需要根据整个镜头的实际透射比来标定镜头的光圈，用以替代单纯焦距和有效孔径D的几何关系，并考虑镜头中对光的吸收和反射所引起的光能损失，这个光圈称之为镜头的T制光圈。它与F制光圈的关系为式中：镜头的透过率。 目前照相镜头中采用的光圈值仍以F值表示，而在自动曝光照相机中，已应用T数系统进行调节和显示。照相机构造原理（8）标准镜头常用的形式本文简单扼要介绍一般照相机标准镜头经常采用的光学结构形式。 一、单片或双胶合透镜构成的简易镜头 这种简易型镜头由于只采用单片或双胶合透镜构成，因此其像差不可能完善校正，孔径也很小，只能在强光下使用。但由于此类镜头价格特别低廉，特别是近年来已普遍使用光学塑料（PMMA）替代光学玻璃，使其制造成本更为降低。因此，目前市场上的玩具相机、一次性相机大多使用这种简易镜头。 二、三片三组柯克Cooke型镜头 早期由三片分离透镜组成的柯克型镜头，其光阑位于透镜之间，这种光学结构型式是镜头像差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足一般普及型相机的要求（镜头等级为23级），且价格比较低。近几年来为了适应自动、袖珍照相机的发展，把通常三片型柯克镜头的光阑由镜头中间移至镜后，使透镜之间密接紧靠。由于光阑后移造成的光焦度失对称，使系统存在有较大的轴外球差，不得而已只能采取拦光的办法来保证像差，因此相对来说边缘照度较低，在设计及使用时都需要统筹兼顾。 为进一步降低成本，目前市场上的水货低档照相机大多用光学塑料透镜替代柯克型三片物镜中的某一片（大多为中间一片），此时其相对孔径只能做到1/4.5左右。 三、天塞Tessar型三组四片照相镜头 由柯克型发展起来的天塞型镜头，1902年起源于德国的蔡司光学工厂，最早是由著名光学专家鲁道夫（Rudolof）设计的。它用双胶合透镜组代替了柯克型镜头的第三片，所以镜头的相对孔径可以大大提高，在中等视场5060情况下其相对孔径可做到1/3.51/2.8。它是目前国内中档或普及型照相机应用得最广的镜头结构形式。光阑位于第二、第三组之间，构成非对称结构型的正光焦度摄影物镜。引入的胶合透镜组使物镜的象散和轴外均得到了充分改善，因此特别适合于风景摄影。 四、双高斯物镜及其演变形式 双高斯物镜是在具有较大视场（大约40左右）的物镜中，相对孔径最先达到F/2的一种物镜。加入的两个胶合面，使其有可能更好地消除像差。胶合面两边玻璃的色散尽管不同，但折射率近似相等，因此胶合面的加入对单色像差影响不大。基本对称的结构有利于彗差、畸变、倍率色差等垂轴像差的校正，光阑两侧各有一个强凹透镜，有利于球差和象散的校正。双高斯物镜的复杂化型式，主要是为了增加镜头的相对孔径或者是为了改善镜头的成像质量。最常见的方法是把前面或者后面的正透镜用两个单正透镜来代替。它可以使轴外的视场高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大的视场情况下获得较高的成像质量。双高斯物镜的另一类复杂化形式是把前、后厚透镜中的胶合面，用分离曲面代替；或者同时把前面或后面的正透镜分成两个。照相机构造原理（9）取景器功能及分类人们在摄影时，为了选取被摄景物的范围就要取景。照相机上用来显示相当于照相胶片成象范围的观察装置就称做取景器。它是一个简单的光学系统，用它来确定拍摄范围和进行画面布局。 现代照相机的取景器往往还包含有： (1)调焦、测距系统。 (2)能显示摄影时所必要的信息，如快门速度；光圈、曝光是否合适的预示信号；闪光灯充电信号等。 (3)配置能控制曝光的测光系统。 一个好的照相机取景器在目视观察时，其视场轮廓与影象应清晰、明亮；影象应为大小适当的正象；没有空间视差和时间视差；没有光晕、重影和幻影；尤其应该消除畸变；能正确地调焦、测距；能判断胶片的景深范围；能向观察者提供摄影时必要的信息等。 取景器的结构型式很多，分类方法也各不相同。按照取景光轴与摄影光轴是否重合，可分为同轴式取景器和旁轴式取景器；按照所成象的虚实，可分为实象式取景器和虚象式取景器；按照实际结构，可分为框式取景器、牛顿式取景器、逆伽利略取景器、开普勒取景器、阿尔巴达取景器等。 目前市场上的35mm照相机的取景器大多采用旁轴平视式和单镜头反光取景同轴式两种形式。照相机构造原理（10）调焦与测距原理一、 调焦原理 实际照相时，被照物体与照相机的相对距离，每次总是有变化的。由高斯公式1/l-1/l=1/f可知，对于不同的照相距离l，其照相光学系统的象距l也将随着变化。为了使不同距离的被摄物体能够正确地成象在焦平面（即胶片平面）上以得到清晰的影像，必须随时调整镜头与胶片平面之间的距离l来适应物距l的变化。镜头的这种调整过程就称为调焦。为了正确地进行调焦，一般在调焦前还要测定出被摄物体到胶片平面之间的距离，这个过程便称为测距。 二、照相机镜头的调焦方式 照相机镜头的调焦通常采用下述三种方式来进行： (1)改变象距的调焦方式 照相机镜头对无穷远物体对焦时，它成象在镜头的焦平面上，即l=f。当摄影距离缩短成有限距离时，如7m，3m，(指被摄体到照相机胶平面之间的距离)，象距l都会拉长。实际上135照相机的胶片位置是相对不变的，因此只能将整个镜头向前伸出有限距离x，此增大量只有这样才能保证象点正确地落实在胶片平面上，以保持象面的清晰度。这种保持镜头焦距不变而改变象距的调焦方式又称整组调焦。此增大量x称调焦量。 这种调焦方式在使用时，只需转动镜头上的调焦环，调焦环上刻有与调焦量对应的底片与被摄景物之间的距离标尺，调焦环带动镜筒上的多头螺纹，让镜头产生轴向移动，使镜头的焦点落实在胶片平面上。由于是整组移动镜头，镜片之间的相对位置固定不变，因此能始终保持镜头的成象质量处于最佳状态。 (2)改变焦距的调焦方式 这种调焦方式是通过移动镜头中某组镜片的轴向位置，从而稍微变动了镜头的焦距，以使物距变化时能保持象距不变。为前组调焦示意图，它是最常采用的调焦方法之一。可以前组单片调焦，也可以前组一齐移动调焦。此外还有采用中组或后组的调焦形式。这种调焦方式的优点是调焦时整个镜头可保持不动，调焦量小，调焦机构也较简单。变焦镜头由于镜片多，体积大，整组移动有困难，往往多采用这种方式调焦。 (3)固定焦点方式 目前市场上供应的简易型照相机的镜头位置大多是固定不变的。即不管物距多少，照相机的镜头与胶片之间的距离始终固定不动，这种调焦方法称为固定焦点法。尽管这样，由于限制了弥散圆的大小，照相机的拍摄质量也还是有一定保证，实际上此类照相机是利用“景深”调焦，又称超焦距法。二、 相机的调焦方法 无论采用何种调焦方式，我们都必须使被摄体的物距l和象距l满足高斯公式，只有这样才能在胶片平面上获得清晰的象。通常用下述方法来获得正确的调焦。 1、测距法 这种方法是首先测出被摄体至胶片平面之间的距离，根据调焦方式确定此时的调焦量，然后再使整个镜头或前组作相应的转动，以使在胶片平面上获得清晰的影像。根据测距方式的不同又可分为估测法和三角测量法： (1)估测法 就是摄影者根据目测或步量的形式，首先确定摄影距离，并据此来转动或调节镜头上的调焦环，使其距离刻度或远景、中景、近景标记与镜头上的基准标记对准。这种调焦方法用在镜头焦距较短。相对孔径较小的照相机上，可获得足够清晰的照片。 (2)三角测量法 就是利用数学中的三角关系来进行测距、调焦。主要应用于带测距器的照相机中，这种照相机的测距和调焦是联动的，只要使取景器中的双象重合，测距和调焦即告完成。这种方法可以使镜头得到准确的调焦，从而保证底片上影像的清晰度。此方法常用在带有逆伽利略式取景器的照相机上。 (3)视差 由于旁轴取景器的取景光轴位于摄影镜头光轴的旁侧，故视界范围有所偏移，因此有视差存在。设取景器光轴与摄影镜头光轴相距为v。当对物距l的物平面摄影时，在胶片上的成象范围为 TT，而取景范围却是SS。此时取景光轴上的点P通过摄影镜头成象，其象点不在胶片中心O，而是偏离一个距离，称为视差量。由相似三角形关系，有/v=l/l， =lv/l。又由几何光学可知，1/l+1/l=1/f。于是可有=vf/(l-f)式中，v与f为结构常数，因此视差量随物距l而变化。l越大，视差就越小。当对无限远处调焦时，l- ，由视差-0。 2、聚焦检测法 这种方法是通过人眼观察象面或对焦板上的影像是否清晰来判断聚焦是否合适的方法。它又分为对比法和裂像法。 (1)对比法 当我们观察一个景物的轮廓时，影像轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说景物边缘处与它的背景之间的对比度就越大。反之，离焦的象，它的轮廓边缘就模糊不清，亮度梯度或对比度就下降。如毛玻璃对焦板就是采用这种方法。 (2)裂像法 在对焦板位置上放置裂像光楔或微棱镜，当焦点正好位于裂像光楔的交点上或微棱镜的顶点上的时候，我们看到的只是一个清晰的象点；当焦点偏离上述位置时，通过裂像光楔看到的是两个分开的象，而通过微棱镜看到的则是许许多多分开的象，造成一种影像模糊的感觉。用裂像光楔和微棱镜对焦板对焦就是根据这个原理进行的。 因为对焦平面与胶片平面完全共轭，人们只需通过眼睛来观察相当于胶片成象平面的对焦屏。只要对焦屏上的裂像重合和微棱区影像是清晰的，则胶片平面上的象必然清晰；反之亦然。对焦屏可以做成不同的结构形式，如毛玻璃表面状、微圆锥面状、微棱镜状、带裂像光楔的、带环带透镜的，等等。聚焦检测的调焦方法主要应用于单镜头反光照相机上。照相机构造原理（11）镜头快门镜头快门安置在照相镜头孔径光阑附近，其尺寸最小。根据安置位置不同，镜头快门可分为镜前快门、镜间快门和镜后快门。 镜前快门：安置在照相镜头前的光路上，由于快门露在镜头外，易脏、易变形、易发生故障，目前在35mm照相机中已不使用。 镜间快门：快门叶片开启孔径位置与孔径光阑位置非常接近，快门开启时整个画面同时获得曝光，而且不会产生耀斑。这种快门结构较合理，因此得到广泛应用。镜间快门主要有勃朗特和康柏两种型式。 镜后快门：快门的开启孔径位于镜头的后方，一般做成平板结构装在机身上，调焦时快门木前后移动，便于和照相机其他功能配合，有利于照相机向小型化和多功能发展。 一、镜头快门的工作特性 不论是勃朗特型还是康柏型镜间快门，不论是单片快门还是五片快门，从叶片开启光孔到全开，或从全开到全闭，尽管运动构件的运动都是极快的，但总需要有一定的时间，开启和关闭光孔存在一个渐开渐闭的过程。五片叶片镜间快门先开启光孔中心部分，逐渐使光孔开到最大，经过一定的全开时间t2后，再由边缘向中心逐渐关闭。快门叶片从开始开启光孔到完全关闭光孔的整个时间，也就是镜头快门使胶片开始曝光到结束曝光的时间，称为全曝光时间t1。t2与镜头F数有关。 快门在开启和关闭光孔的过程中，光孔一部分开启，一部分仍被叶片所遮挡，光孔在这过程中只有部分通光，造成透光损失。这种光量损失用快门的光学有效系数来表示。如果快门是一个理想的快门，此快门的开启与关闭光孔的过程是无时间量的，在全曝光时间t1内没有光通量损失，则=100%。但实际快门与理想快门相差甚远，用到达胶片平面的光能量为依据来比较，如果实际快门在全曝光时间(t1)内通过的光通量等于理想快门在曝光时间（te）内通过的光通量，则我们称te为实际快门的有效曝光时间，显然tet1。由此可得出镜头快门的光学有效系数为=te/t1*100%式中te为最大镜头孔径时，t1与t2的平均值可近似表达为te=(t1+t2)/2三、 结构形式 镜头快门的结构形式很多，但主要有两种：镜筒型结构和平板型结构。镜筒型结构是将快门叶片、传动机构、动力弹簧、慢门机、闪光联动机构、自拍机等与照相镜头的光学镜片装在一个主体内。因此，结构复杂，与机身之间的功能联接困难，不适应照相机向小型、多功能、电子和自动化发展。 平板型结构可克服镜筒型快门的缺点，适应快门和机身间信号传递和联动要求。镜头调焦时，快门不作前后移动。镜头快门如果以快门叶片数量来分可分为： (1)单片式快门 快门只由一片叶片开启和关闭光孔。快门速度只有一档，通常在1/1000s左右。快门光学有效系数较低，仅用于简易型相机。单片快门结构简单、可靠性好。 (2)双片式快门 由两片快门叶片开启和关闭光孔。由于快门叶片要双方向上运动，转动惯量大，快门速度提高有困难。一般最短曝光时间1/300s，常用的有达1/200s，可以按1/125s，l/60s，1/30s来调速和闪光联动。双片式快门目前主要用于程序快门，快门叶片还兼作光阑叶片，快门均采用平板型结构。 (3)三片式快门 由三张快门叶片同时开启、关闭光孔，如图1-4-4所示。快门最短曝光时间一般为1/200s，可调速为1/125s，1/60s，1/30s，1/15s和X闪光联动。早期进口和国产的折合式120相机大多采用这种快门。 (4)五片式快门 由五片快门叶片同时开启、关闭光孔，是镜筒式镜头快门采用最广泛的型式。代表结构主要有勃朗特型和同步康柏型两类。勃朗特型镜间快门的主动部分主要有主动弹簧盘、小拉钩、主动环和叶片(五张)四个环节所组成。结构较简单、工艺性好、制造成本较低，得到广泛应用。康柏型快门在50年代中采用新的同步康柏型结构，光圈和速度值来用等值、等间隔分布，有利于自动曝光控制，而最短曝光时间可达1/500s，具有M和X两种闪光同步结构。快门主动部分由主动弹簧盘、主动环、叶片（五张）三个环节组成，具有较高的快门光学有效系数。但由于结构复杂，零件工艺性差和材料昂贵及成本高的原因，照相机很少采用这种快门。早期德国进口听蔡斯依康折合照相机大多采用这种快门。照相机构造原理（12）焦平面快门焦平面快门安装在紧靠照相机胶片前的位置上，即在照相镜头的视场光阑附近。焦平面快门有两组起遮光作用的前帘和后帘。快门上弦时，前后帘有一部分相互重叠在胶片前通过，不会使胶片曝光。快门释放时，前后帘之间形成一定的缝隙，此缝隙以一定的速度在胶片前面走过，使胶片逐次进行曝光。缝隙的宽窄可以调节，以实现不同的曝光时间。 一、焦平面快门的结构形式 按运动方向分，有横走式和纵走式两种；按幕帘的材料分，有幕帘式和钢片式两种。横走式焦平面快门，其前帘和后帘在胶片36mm方向作左右运动，快门前帘和后帘通常采用已喷涂过橡胶的具有遮光特性的合成纤维或绢丝织物制成（只有极少数横走式焦平面快门采用薄金属片制作前帘和后帘），通常称为幕帘快门。纵走式焦平面快门，其前帘和后帘在胶片24mm方向作上下运动，以前大多用平板状钢片制作，近几年又逐步改用塑料薄片制作，通常称为钢片快门。为钢片快门的大致构造。 1、幕帘快门 幕帘快门通俗也称为卷筒型快门。基本型式有莱卡型的三轴式和爱克赛太型的四轴式（德国名牌机）。在镜头互换、测距连动式照相机全盛时期，大部分照相机采用三轴式。相反，单镜头反光照相机一般使用四轴式。 三轮式结构简单，前幕帘筒和后幕帘筒共轴，前幕帘筒轴还兼快门速度调节轴的功能。由于调节轴必须进行有关快门动作的全部控制，所以旋转范围要控制在一圈以内。因此，前幕帘筒、后幕帘筒的直径在上述旋转角情况下旋转周长必须超过幕帘的行程。 四轮式幕帘快门将前、后幕帘筒分为两个轴，通过齿轮减小旋转角并设定调速轴。作为快门这一单独部件，三轴式零件少，利用率高。但从提高幕帘速度出发，采用四轴式有利。这也不是绝对的，若把实际惯性矩、主动弹簧轴以及零件数、轴承摩擦等综合考虑的话，可以说性能价值比还是三轴式好。国外美能达照相机和雅西卡/康太克斯RTS照相机均采用这种快门。2、钢片快门 早期纵走式快门，幕帘采用细小金属片钩组成卷帘结构。由于结构复杂、工艺性差、成本高，已逐渐淘汰。60年代开始采用钢片型式，它用几片金属片和操作杆组成两组平行四边形四连杆机构，并可形成一定的运动狭缝，这种快门通常就叫钢片快门。 下面再来分析一下钢片快门的特点： （l）钢片快门机构是一个完整的组件，可以进行专业化生产，有利于提高质量，降低成本。 （2）钢片快门叶片由于采用高碳钢材和可靠的耐高、低温的塑料带，具有耐久、耐热、耐寒等性能。 （3）叶片的运动速度快（走完24mm约6.58ms），在高速度档时缝隙宽度较大（1/1000s时，缝隙宽度约为33.5mm），所以曝光时间稳定，曝光的不均匀性小。 （4）由于叶片是上下运动的，在1/125s档时，叶片已全开画幅，所以X闪光同步可达到1/100s或1/125s。 （5）在单镜头反光照相机上应用时，可以方便地与反光镜快速返回机构联动。 （6）可内藏自拍机（机械型钢片快门）。 （7）MFC和MFE系列快门将纯机械控制的钢片快门发展为电子控制方式后，去除了机械慢门和自拍，由继电器控制后帘释放时间和前、后帘释放时间，实现钢片快门的电子自拍和实现钢片快门自动曝光控制。（8）有利于小型化。 钢片快门还有一个突出的优点是有效曝光时间可以更短，现已达到1/4000s、1/8000s和1/12000s。并可以单独进行专业生产，这个优点是布帘快门所望尘莫及的。缺点是：动量和冲击较大，使得照相机拍摄时声音大、抖动量大。二、焦平面快门的工作特性 焦平面快门通常装在紧靠照相机胶片前面，一般由两个幕帘组成。快门上弦时，前、后帘有一部分互相重叠不漏光由一端拉向另一端，这时与前、后帘相连接的开放和关闭动力弹簧同时被上紧，储藏能量。当快门打开时，前帘首先开始开启运动，而后帘仍被钩住。根据所选的快门曝光时间，使前、后帘之间形成该曝光时间所需的合适的缝隙c，缝隙c以一定速度在胶片前面通过，使胶片逐步曝光。动作结束后，前、后帘互相叠合，准备下