哈尔滨理工大学学士学位论文 第3章 f 70-210/4-5.6变焦距照相镜头的分析

3.1 变焦距照相镜头原理概述

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S：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[11]。

3.1.1 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。

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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[21- 24]，即同时令物距、像距、焦距三者改变。

3.1.2 调焦的性能指标

调焦的性能指标主要是指：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，

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哈尔滨理工大学学士学位论文 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：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。AF与MF的兼容性好：摄影镜头在AF状态下可否随时进行手控调焦，并且AF摄影镜头可否使用在传统手控照相机上拍摄。

3.1.3 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MF模式与自动调焦的AF模式二种。MF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。MF模式又包含全手控MF模式与有电子调焦信号的MF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。此模式在调焦时镜筒长度略有变化，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IF(Internal Focusing)：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——此即部位移式AF模式[25- 28] 。

3.2 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

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哈尔滨理工大学学士学位论文 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，其作用主要提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。

3.2.1 变焦距照相镜头的种类

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)变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，与镜筒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。

3.2.2 变焦距照相镜头的特点

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

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哈尔滨理工大学学士学位论文 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[30- 33] 。

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。

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

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