发布时间 : 星期二 文章照相机镜头发展及设计李威 - 图文更新完毕开始阅读
哈尔滨理工大学学士学位论文 2.3.2 照相镜头的光学特性
照相镜头的光学特性可由三个参数来表示，即照相镜头的焦距f'、相对孔径D/f'和视场角2ω'。如图2-4相机镜头结构示意图。
其实就135照相机而言，其标准画幅已确定为24mm×36mm，则其对角线长度为2D=43.266。我们可以得出照相机镜头的焦距f'和视场角ω'之间有式2-5的关系：
tan???D (2-5) f'式中：2D—画幅的对角线长度；
f'—镜头的焦距。
图2-4 135照相机镜头结构图
照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力，用D/f'表示。它定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）D与镜头焦距f'之比相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称F数，即
F=f'/D
当焦距f'固定时，F数与入瞳直径D成反比。由于通光面积与D的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数处于最小数时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，F数是个特别重要的参数，F数越小，镜头的适用范围越广。与目视光学系统相比，照相物镜同时具有大相对孔径和大视场，因此，为了使整个像面都能看到清晰的并与物平面相似的像，差不多要校正所有七种像差。照相物镜的分辨率是相对孔径和象差残余量的综合反映。在相对孔径确定后，制定一个既满足使用要求，又
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哈尔滨理工大学学士学位论文 易于实现的象差最佳校正方案。为方便起见，往往采用“弥散圆半径”来衡量象差的大小，最终则以光学传递函数对成像质量做出评价。
近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上很不相同其主要差别有：
(1) 相对孔径较传统相机大。
(2) 较短的焦距，使得景深范围增大。可根据视场角的大小算出相当传统相机镜头的焦距值：
F'=43.266/(2×tanω')
(3) 较高的分辨率[14- 16] 。
2.4 相机镜头的新技术
相机镜头直接决定了画面的成像效果，就镜头的最终成像效果而言，有四个基本的影响因素，分别是镜头的分辨率、色差、变形和暗角等。因此，相机镜头的改进工作，新技术的开发都是以提高这四个方面的成像效果为基本出发点的。
(1) 镀膜
为了提高镜头对于不同色彩的准确还原能力，减小色差，通常会在镜头的镜片前面进行镀膜。经过镀膜的镜头，通常对于不同色光都具有更好的通过性，能够实现色彩较为准确的还原。
(2) 低色散镜片
色散是镜头色差的主要部分，因此在镜头中使用低色散镜片或是超低色散镜片可以有效降低不同光线通过镜头的色散，进而降低镜头的色差。
(3) 非球面镜片
传统的镜片都是球面镜片，为了有效降低镜头的变形，可以在镜头中使用非球面镜片有效校正成像中的像差，从而将拍摄画面的变形降低到最小。
(4) 数码整合设计
数码相机的影像记录使用的是影像感应器，胶片相机使用的是胶片。由于影像记录介质存在较大差异，因此对于相机的镜头也提出了较高的要求。对于胶片相机而言，处于像场中的胶片可以接受来自各个不同方向的光线的照射，这此光线对于底片中银盐颗粒的曝光都会产生作用。而在数码相机中，影像感应器中的像素单元都是微米级别的，也就是说像素单元很小，这使得每个单元接受到的光线会很少，由于像素单元担负着完成影像从模拟到数字转换的重要作用，那么光线弱就会影响到像素单元的转换效果。因为这种原因，以前为传统相机设计的很多镜头在使用在数码相机上时，往往成像效果不佳，这种现象在中低端镜头中非常明显，很多镜头的中心分辨率仅仅徘徊在1600左右，而最新推出的数码摄影专用镜头(甚
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哈尔滨理工大学学士学位论文 至大多数的入门级镜头)的成像效果却可以轻松地达到1800甚至2000以上。
数码摄影专用镜头实际上就是根据影像感应器成像的具体特点，将镜头后部的光线校正为垂直射向影像感应器，使光线可以直接进入相应的影像感应器像素单元，这一方面提高了光线的成像效用，另一方面不会因为以斜角摄入的光线而影响画面的成像效果，这种设计有效提高了镜头的分辨率和画面的锐度。
(5) 防抖技术
现在镜头防抖动技术已经在镜头中广泛使用。镜头的防抖技术经过了较长时间发展与演变，比如早期的防抖还分为垂直和水平防抖，当使用三脚架的时候需要手动关闭防抖功能，而且最大的防抖效果为两极;现在镜头防抖技术已经得到长足的发展，镜头可以自动识别是垂直还是水平防抖，自动检测是否使用了三脚架，最大的防抖效果达到了4级甚至5级防抖技术在镜头中的使用，一方面可以帮助普通的摄影者拍摄出清晰的照片，而且使得很多大变焦比镜头的拍摄成功率大大提高。
(6) 安全快门速度
安全快门速度就是说在拍摄中相机的最小快门速度应该是镜头焦距的倒数。比如倘若使用的是50mm的镜头，那么拍摄的安全快门速度是1/50秒。如果在拍摄中相机的快门低于安全快门速度，而且这时镜头的光圈已经是最大光圈，在过去就只能选择使用高感光度胶片。而在数码摄影时代，由于镜头防抖技术或是机身防抖技术的使用，使得镜头的安全快门速度也相应降低了级数，也就是说使用具有防抖功能的镜头或机身时，拍摄的成功率有了很。
(7) 镜头驱动
自动对焦镜头的驱动采用的是马达，不同品牌的镜头对于自己所采用的镜头驱动马达的表述方式均有所不同，有叫超声波马达的，有叫静音马达的，不一而足，但都是通过相应的驱动部件，将电能转换成为机械能，实现镜头的驱动对焦。比如佳能的超声波马达(USM Ultra Sonic Motor)尼康的静音波形马达(SWM Silent Wave Motor)、索尼的超声波马达(SSM Super-Sonic Motor)、奥林巴斯的超声波马达(SWD Supersonic Wave Drive)等。
(8) 内对焦
镜头的光学结构均有所不同，仅就对焦而言有内、外对焦之分。其中的外对焦光学结构设计是一种传统的对焦方式，在对焦过程中镜头镜筒的长短会发生变化，在对焦过程中前镜筒会伸缩和旋转。这种镜筒的伸缩和旋转一方面对于近距离拍摄不利，另一方面这种旋转对于使用偏振镜也带来了相应的困难，因为偏振镜的使用效果与镜片的方向密切相关，对焦会改变调整好的偏振镜的方向，进而影响偏振效果。而内对焦则是依赖镜头
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哈尔滨理工大学学士学位论文 内部镜组的旋转和移动来完成画面的对焦，在这一对焦过程中，镜头外部的镜筒不会有任何变化，因此非常有利于使用偏振镜。内对焦技术大多应用于一些中高端镜头[17- 19] 。
2.5 相机镜头的保护
镜头犹如照相机的“眼睛”，是相机最重要的组成部分。对照相机镜头的保护要做到以下几点：
(1) 防震：镜头的摔跌和碰撞、挤压，容易使镜头脱胶，损坏测距部件，影响对光测焦。外出时应将相机放入安全的摄影包中或挂在胸前，并将光圈开到最大，避免光圈页片的损坏。
(2) 防划伤：平时在镜头前应加一块紫外线滤色镜(UV镜)，这样既可避免由于不小心硬尖物擦伤镜面，又不影响曝光量和被摄物颜色的正确吸收。
(3) 防尘：尘埃是镜头的大敌，镜头积尘会影响被摄物的清晰度。拍照时，要养成用完将镜头盖盖上的习惯，以防尘土进入。若镜面上落有尘土，可先用医用吹气球吹去，再用细软的专用镜头刷轻轻刷去。切勿用粗糙不洁的手指、手绢、纸等擦拭，以防擦花镜面。切忌用酒精、汽油等物擦拭，以防镜边脱胶。若镜面上有污溃，可用高级脱脂棉沾上些镜头专用清洁剂，轻轻地由镜头中心逐渐向镜头边缘擦拭。
(4) 防潮：镜头受潮后镜面容易变质，并会使镜片中间的胶合层产生霉斑，影响结像力。平时应放在干燥、凉爽的地方。生活在南方潮湿地区，或住在潮气较大的环境中，最好把相机放在有少量干燥剂(变色硅胶等)的塑料袋中或玻璃缸内贮存。
(5) 防高温：不要将相机靠近煤炉、暖气放置，或长时间在强烈日高温会使镜片中间脱胶，影响使用质量。
(6) 防温度骤变：冬季摄影，由于室内外温差较大，当由室外进入室内拍摄时，应稍等片刻，待镜面上凝结的水珠消失后再拍摄。严寒季节外出摄影，应将相机裹在棉大衣内，拍照时也应取出稍待片刻，以取得良好的结像效果。
(7) 防止拆卸镜头：镜头是由多组透镜构成的，各组透镜之间都有严格规定的距离。在不熟悉检修情况下，严禁随便拆卸镜头，否则，将会破坏镜头的成像质量[20] 。
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