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标准镜头的光学特性参数，如焦距、相对孔径与视场角跟长焦摄影
镜头和短焦摄影镜头比都居中等。相对而言，标准镜头的孔径和视场都 比较大，因此轴向与垂轴像差都较大，一个具体的摄影镜头成像质量的 高低，关键在于像差的校正程度。下边就几个实例进行粗略地分析。 一、标准镜头的光学结构有多少种？ 标准镜头的光学结构类型很多，有简单的，有复杂的，有对称型的， 也有非对称型的。 1.新月式镜头有什么特点？ 新月式镜头的光学结构如图4-2所示。 (a)是摄影镜头发展史上第一 个摄影镜头，它的孔径只达1/16；图(b)所示是目前在极廉价的一次性相 机上用的镜头，如富士一次性相机采用的塑料镜片，其孔径能达1/8。 作为一个单透镜，各种像差都客观存在，不能完全消除，只能减小。 要成实像必须得用正透镜；要减小场曲根据式（3-9），弯月型透镜较合 适；根据同心性原则，两个曲面都弯向光阑可减小垂轴像差；用配曲法 可减小球差。但它对r1与r2的要求跟式（3-9）的要求有矛盾只能折衷； 适当的光阑位置有利于减小色差与像散。总之，作为单透镜成像，各种 剩余像差都较大，只有降低使用条件：减小孔径和视场以减小相应的像 差。 2.薛瓦利埃镜头有什么特点？ 如图 4-3 所示的一组二片式消色差镜头是薛瓦利埃于 1821 年发明 的。由于引入了消色差胶合面，比新月式镜头稍有提高，色差校正有提 高，但仍属于原始镜头，其孔径最大为1：12。 3.匹兹万镜头有什么特点？ 匹兹万物镜是匈牙利数学家J·M·匹兹万与1840年设计的，它是世 界上第一个用数学计算方法设计出来的镜头，也是1910年以前在照相机 上应用最广、孔径最大的摄影镜头。最初的结构形式如图4-4(a)所示。 1878年以后，后组改为胶合的形式如图4-4(b)所示。这种镜头的孔径和 视场角适应范围分别为：1：1.8；16°以下。 这个物镜系统是由两个分开的正光组构成，系统的光焦度由两组承 担，球面半径比较大，这对校正球差有利；但两组分开（两正光焦度分 开），场曲却增大了，要校正场曲，则球差与慧差就会增大，这是不能 两全其美的。若把前组也改为分离式的，如图4-5(a)所示，在校正像差 方面可稍有提高。但如果像图4-5(b)所示，在像面附近增加一组负透镜， 可使整个系统的场曲得到较好的校正，还可以用这块负透镜的弯曲来平 衡整个系统的畸变。但是后工作距太短，只适用于短工作距的条件（像 放映物镜等）。 此种物镜各组都分别消色差，整个系统也消色差，近轴部分成像质 量优良。由于它结构简单，孔径较大，目前由它改进而得的形式不少于 二、三十种之多，视场角一般在 20°～30°；相对孔径在 1：3.5～1： 1.5。主要用作电影放映和人像摄影镜头。 4.柯克镜头（三片式镜头）有什么特点？ 柯克物镜（镜头）是三片式薄透镜系统，如图 4-6 所示。它是薄透 镜系统中能够校正全部七种初级像差的最简单结构，它所能适应的孔径 D/f′＝1/4.5，视场是2w＝50°。 设计镜头的原则是首先考虑场曲的校正，光焦度分离的薄透镜系 统，由校正场曲的条件得知，必须是正、负透镜组成的系统。为简单起 见，可用对称的观点来分析柯克物镜的像差情况，即把中间的负透镜用 一平面分开，组成一个对称系统，每半部系统都是由一个正透镜和一个 平凹透镜组成，因此整个系统的垂轴像差（倍率色差、慧差与畸变）可 以自动平衡（初级像差）。 每半部系统必须独自校正四种轴向像差，如球差、位置色差、像散 与场曲。根据各种像差公式及光焦度公式， ＝ ， ( ( j j 1 ， ，在总光焦度一定的条件，可 j j j j j 以在n1，n2，d，r不同条件下，分配j1与j2。实际计算表明，负透镜的 材料选用色散较大的火石玻璃时，各组透镜的光焦度都较小，有利于像 差的校正，但是必须考虑正负透镜的玻璃要相匹配，否则透镜间的距离d 就要增大，轴外光线在正透镜上入射高度也增大，反而影响了轴外像差 的校正，正透镜可以用冕玻璃。 柯克镜头结构简单，初级像差校正得比较好，目前已发展成几十种。 它在普及型及低档照相机中仍被广泛地应用着，如国产海鸥 203 型 120 相机，海鸿4A、4B、4C型120型照相机等的镜头都采用这种结构。但它 对像差的校正仍不完善，在剩余像差中以轴外正球差（高级球差）最为 严重。 5.天塞镜头有什么特点？ 天塞物镜是由柯克物镜改进而成的，由图 4-7 所示。由于柯克物镜 剩余轴外球差严重，将其最后一片正透镜改为双胶合镜组，轴外光线中 以上光线（轴外端点通过入瞳上边缘的光线）在胶合面上有最大入射角， 可使高级像散和轴外球差减小。天塞物镜能适用的视场比柯克物镜略有 增加，光学性能指标为D/f′＝1/3.5～1/2.8，2w＝55°。 由于天塞物镜结构也比较简单，成本也低，所以仍被广泛应用在普 及型照相机和放大机上。例如，国产海鸥牌205型、东方牌S4型，虎丘 牌HQ351型、牡丹MD35A型、海鸥KJ135平视旁轴取景照相机摄影物镜。 长城牌PF-1型135单反照相机的摄影物镜，都采用天塞物镜结构。现在 类似天塞镜头的设计不少于30种。 6.海利亚镜头有什么特点？ 海利亚物镜也是由柯克物镜改进而成的。如果将柯克物镜中两个正 透镜都改为胶合透镜组，如图 4-8 所示，就是海利亚物镜。它跟天塞物 镜比，进一步改善了轴外光束的成像质量，视场角进一步增大，在航空 摄影和人像摄影中应用较多。 7.松纳镜头有什么特点？ 松纳物镜也可以认为是在柯克物镜的基础上发展起来的，它是一种 大孔径小视场的物镜。 在柯克物镜的前两块透镜中间引入一块正透镜 （或 正透镜组），如图4-9(a)与(b)所示即为松纳物镜。光束在进入负透镜之 前，因引入了厚透镜而使其得到了收敛，故可减轻负透镜的负担，高级 球差减小，相对孔径可增大。但是，场曲增大了，垂轴像差校正有困难 （因破坏了对称性）。计算结果表明，松纳物镜的轴外像差随视场的增 大急剧变大，尤其是色慧差极为严重。因此，它不得不降低使用要求， 所适用的视场在20°～30°。 8.达格镜头有什么特点？ 图4-10所示的光学结构称为达格镜头，属于正光（能校正七种初级 像差的）镜头，是早期应用较广的镜头之一。 我们可用设计镜头的原则，来分析它是如何校正各种初级像差的。 整个光学系统的垂轴像差可以自动平衡，因为图 4-10 它是对称型结构。 每一半部必须各自校正自己的轴向像差，如场曲、位置色差、球差和像 散。首先要校正只由光焦度分布而决定的场曲，每一半部的总体是弯月 型厚透镜，根据式（3-9），式中n可取三个透镜的平均值，调整r1与r4 使其相等（或接近）可校正场曲；半径为r3的胶合面可校正位置色差 （n2 与n3要相匹配）；半径为r2的胶合面一定是消球差胶合面，因为此种胶 合面的半径要符合同心原则，且此胶合面的位置应尽量靠近孔径光阑， 在位置和弯曲方向确定以后，利用n1与n2的大小控制该胶合面球差的大 小；调整两个半部间的距离（即光阑的位置）来校正像散。 9.双高斯镜头有什么特点？ 双高期镜头如图3-21所示，此种对称型结构其轴向与垂轴像差都校 正得较好，孔径很大，视场中等。但结构较复杂，成本高。它被广泛用 于高中档相机上以及专业电影摄影机的标准摄影镜头上。例如莱卡R4型 135型相机标准摄影镜头（焦距50mm，孔径为1：2）、卡侬新F-1型135 照相机的标准镜头（新FD50mm，f/1.8）、海鸥DF型、孔雀DF型照相机 标准镜头（58mm1：2）、哈色勃莱德500C/M 型 120照相机 PLANR120 毫 米、1：4镜头、联邦德国阿里弗莱克斯ⅡC型35毫米电影摄影机的标准 镜头（PLANR50毫米，1：2）、及和平牌S-35Ⅱ型35毫米电影机标准摄 影镜头（35SJ-50型50毫米、1：2）等。 10.改进型双高斯镜头有什么特点？ 图3-21所示的双高斯物镜，有很多优点，但要进一步提高它的光学 影镜头（35SJ-50型50毫米、1：2）等。 10.改进型双高斯镜头有什么特点？ 图3-21所示的双高斯物镜，有很多优点，但要进一步提高它的光学 性能却受到一对矛盾的制约：当半部系统（如后半部）承受无限远光线 时，可用薄透镜弯曲校正球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行 于主轴，薄透镜愈向后弯曲，愈接近平凸透镜，它所产生的球差及高级 量就愈小，这只是有利的一面；不利的是轴外光线入射状态变坏，随着 透镜的向后弯曲，轴外光线的入射角度大，产生的像散 就大（ ∝ ）。要平衡薄透镜后折射面的像散，需要将光阑尽量靠 Ⅲ S ic i 近厚透镜使光阑进一步偏离后透镜前表面的球心（即有意让厚透镜 前表面违背同心性原则）而使其产生的正向散去平衡薄透镜的像散，如 此又使轴外光线在前表面上的入射角急剧增长，则产生的轴外球差及其 高级量的增加，真是顾此失彼，不能两全。如图4-11所示的复杂化的双 高斯镜头，将薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透 镜的半径加大，因此这是解决上述矛盾的方法之一，这种结构也应用很 广，例如联邦德国阿里弗莱克斯35BLⅢ、4型35毫米电影摄影机的标准 镜头（PLANAR50毫米、f/1.3）就是此种结构。和平牌S-35Ⅲ型35毫米 电影摄影机的35SJ-40（40毫米、1：2）摄影镜头也采用了类似结构。 也有些厂家在复杂化双高斯镜头的基础上继续改进，将第二组透镜 （如联邦德国卡尔· 蔡司光学公司生产的PLA-NART50毫米、 F1.4和F1.8 镜头）或第三组透镜分解为两个独立的透镜，从而演变为六组七片式光 学结构。采用类似六组七片式结构的有卡侬 FD50 毫米、f/1.2 与 f/1.4 摄影镜头，潘太克斯 50 毫米、f/1.2、f/1.4 摄影镜头，和平牌 S-35Ⅱ 型电影摄影用长城35DSJ-50（50毫米、f/1.3）摄影镜头。 还有些厂家在普通四组六片式（图3-21所示）双高斯镜头的基础上 进行改进：把第二组或第三组分解的两个独立的透镜，从而演变出五组 六片式的光学结构，如米诺尔它50毫米，f/1.7MD和f/2MD摄影镜头， 潘太克斯M50毫米f/1.7摄影镜头。 在摄影物镜里，高级像差占有特殊的地位。随着孔径或视场的增大， 它在像差中所占的比重逐渐增加。因此，要提高摄影镜头的光学性能， 即增大孔径与视场角常常受到高级像差的限制。 |
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