照相物镜设计
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第五章 照相物镜设计
5.1 照相物镜的发展及其基本结构
在照相物镜设计中，类型的选择预先确定了设计成败的可能性，物镜的选型不仅对初级像差， 而且对高级像差也是十分有关的，因此选型很重要。 1. 风景摄影物镜 最早出现的照相物镜在1812年，是单片的正月牙透镜， 相对孔径小于1：14，视场50度以内，可用于室外照明 良好的条件下拍照
1902年出现的天塞物镜，可看作是三式的后面一块正透镜改为二 块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式好。天塞的光 学结构简单，实用，它的解像力高，反差适中，畸变小，获得了 “鹰眼”的美誉，当年被蔡司公司尊为头号镜头，一切蔡司公司 所生产的顶级相机全部配备天塞镜头
将三片式中的单透镜改为双胶合的设计比较多，海里亚物镜就 是其中的一种，是美国在二战中用得最多的夜航摄物镜，它利 用二胶合面把高级慧差和带球差校正得很好。 5. 双高斯物镜（Planar） 双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结 构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近 于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径 比较大。它是现在1：2物镜的主要结构，在视场缩小时， 可得到1：1.4的结果，稍复杂化后，可得到更大的相对孔径， 达1：0.85，这一类型的物镜是目前普遍使用的物镜，也是 最受欢迎的物镜。
9. 变焦距物镜
5.2 照相物镜的光学特性
照相物镜的光学特性，主要由三个因素表征：照相物镜的焦距、相对孔径和视场角。 （1）焦距：照相物镜焦距的大小，决定了照片上的像和实际物体之间的比例。 光学系统的垂轴放大率：
β=
y′ l ′ = y l
对于一般相机，物距都比较大，而镜头的焦距一般比较小，因此像平面靠近焦平面， 像距近似与焦距相等，因此：
6. 摄远物镜 用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远 物镜。摄远物镜是在第二次世界大战中为了侦察摄影的需 要而发展的。 比较著名的有蔡司公司的“远摄天塞”，相对孔径1：6.3， 视场35-40度。改进的“泰来康”，相对孔径1：6.3，视 场30度，畸变小于0.2%。
美国在二战中也生产了大量的摄远物镜，如右图所示，其 为焦距1米，相对孔径1：8及焦距1米，相对孔径1：5.6的 物镜。
利用新老玻璃的组合，生产出了质量更好的达岗（1892）和 双普罗塔（1894）。这两种物镜至今还在生产，其相对孔径 为1：6，视场为60度。这种物镜的自由度较多，每一半都可 以单独校正像差，因而一个物镜可作为二种焦距的物镜使用。
从达岗出发，把靠近光阑的二透镜从胶合组里分离出来，利 用多出的自由度设计出了1：4和70度视场的结果，这种物镜 至今仍是主要的航摄物镜之一。 4. 三片式物镜 1893年，塔克洛尔（H.D Tealor ）用分离薄透镜作为对称型的 一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种 最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数恰能校正七种像 差。这种类型现在已具有相对孔径1：4，视场50度的光学性能。 1 4 50 如果视场减小时，相对孔径可达1：2.8，现在它仍然是一种比 1 2.8 较流行的物镜。
1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙形的单透镜，双 胶合透镜因色差得到校正成像质量有所提高，但制作成本 比较高。正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量， 因为双分离情形下可以更好地校正像散。
2. 匹兹堡人像物镜 1840年匹兹堡设计出了一个相对孔径为1：3.4，视场为25度 左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影， 是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。 匹兹堡物镜是1910年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它 在近轴部分的成像质量优良，至今仍在用作电影放映物镜等 须要大孔径小视场的场合。 匹兹堡物镜的改进型式很多，是现在五大类物镜中的一类。 3. 对称型物镜 最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望 镜头，相对孔径为1：30，视场为70度，只能用作风景摄影。 海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在1900年设计出的， 两个透镜的外表几乎是半球面，具有140度左右的视场，相 对孔径很小1：30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在 航测仪器中。
1 2 E ′ = π Lτ ( D f ′ ) 4
τ 为物镜透过率
f′ β≈ l
此式说明照相机的放大率与焦距成正比，而与物距成反比。 由于用途不同，照相物镜的焦距也不相同。通常照相物镜的焦距标准如下：
物镜类型 鱼眼物镜 超广角物镜 广角物镜 标准物镜 短望远物镜 望远物镜 超望远物镜
物镜焦距f’/mm 7.5、15 17、20 24、28、35 50 85、100 135、200、300 400、500、600、800、1200
到1866年，像差理论的发展，使人们认识到对称的胶 合透镜可以把像差校正得很好，设计出了右图所示的物 镜，其相对孔径为1：8，视场为50度，物镜的球差、 色差和慧差都有很好的校正，畸变和倍率色差也因结构 对称而不大。
重钡冕玻璃的出现使得在1890年设计出了普罗塔物镜，该物 镜以其校正了匹兹堡和及像散而优于之前的所有物镜，它的 相对孔径在1：Baidu Nhomakorabea.5-1：18之间，视场为40-90度，由它拍摄的 整张照片都是清晰的。
（2）相对孔径： D f ′ 照相物镜的相对孔径，决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，最高分辨率即通常所说 的截止频率：
N=
D f′
λ
=
2u ′
λ
照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其接收器本身 的分辨率不高，相对孔径的作用并不是为了提高物镜的分辨率，而是为了提高像面光照度：
7. 反摄远物镜 在电影摄影中，常常用到短焦距物镜，为了在物镜后面能 安装取景棱镜，因而要求有长的像方顶焦距。这就需要使 用所谓的反摄远物镜，其是由正负透镜组分离组成，负透 镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到 像方顶焦距大于焦距的目的。 8. 广角物镜 广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。
5.1 照相物镜的发展及其基本结构
在照相物镜设计中，类型的选择预先确定了设计成败的可能性，物镜的选型不仅对初级像差， 而且对高级像差也是十分有关的，因此选型很重要。 1. 风景摄影物镜 最早出现的照相物镜在1812年，是单片的正月牙透镜， 相对孔径小于1：14，视场50度以内，可用于室外照明 良好的条件下拍照
1902年出现的天塞物镜，可看作是三式的后面一块正透镜改为二 块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式好。天塞的光 学结构简单，实用，它的解像力高，反差适中，畸变小，获得了 “鹰眼”的美誉，当年被蔡司公司尊为头号镜头，一切蔡司公司 所生产的顶级相机全部配备天塞镜头
将三片式中的单透镜改为双胶合的设计比较多，海里亚物镜就 是其中的一种，是美国在二战中用得最多的夜航摄物镜，它利 用二胶合面把高级慧差和带球差校正得很好。 5. 双高斯物镜（Planar） 双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结 构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近 于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径 比较大。它是现在1：2物镜的主要结构，在视场缩小时， 可得到1：1.4的结果，稍复杂化后，可得到更大的相对孔径， 达1：0.85，这一类型的物镜是目前普遍使用的物镜，也是 最受欢迎的物镜。
9. 变焦距物镜
5.2 照相物镜的光学特性
照相物镜的光学特性，主要由三个因素表征：照相物镜的焦距、相对孔径和视场角。 （1）焦距：照相物镜焦距的大小，决定了照片上的像和实际物体之间的比例。 光学系统的垂轴放大率：
β=
y′ l ′ = y l
对于一般相机，物距都比较大，而镜头的焦距一般比较小，因此像平面靠近焦平面， 像距近似与焦距相等，因此：
6. 摄远物镜 用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远 物镜。摄远物镜是在第二次世界大战中为了侦察摄影的需 要而发展的。 比较著名的有蔡司公司的“远摄天塞”，相对孔径1：6.3， 视场35-40度。改进的“泰来康”，相对孔径1：6.3，视 场30度，畸变小于0.2%。
美国在二战中也生产了大量的摄远物镜，如右图所示，其 为焦距1米，相对孔径1：8及焦距1米，相对孔径1：5.6的 物镜。
利用新老玻璃的组合，生产出了质量更好的达岗（1892）和 双普罗塔（1894）。这两种物镜至今还在生产，其相对孔径 为1：6，视场为60度。这种物镜的自由度较多，每一半都可 以单独校正像差，因而一个物镜可作为二种焦距的物镜使用。
从达岗出发，把靠近光阑的二透镜从胶合组里分离出来，利 用多出的自由度设计出了1：4和70度视场的结果，这种物镜 至今仍是主要的航摄物镜之一。 4. 三片式物镜 1893年，塔克洛尔（H.D Tealor ）用分离薄透镜作为对称型的 一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种 最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数恰能校正七种像 差。这种类型现在已具有相对孔径1：4，视场50度的光学性能。 1 4 50 如果视场减小时，相对孔径可达1：2.8，现在它仍然是一种比 1 2.8 较流行的物镜。
1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙形的单透镜，双 胶合透镜因色差得到校正成像质量有所提高，但制作成本 比较高。正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量， 因为双分离情形下可以更好地校正像散。
2. 匹兹堡人像物镜 1840年匹兹堡设计出了一个相对孔径为1：3.4，视场为25度 左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影， 是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。 匹兹堡物镜是1910年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它 在近轴部分的成像质量优良，至今仍在用作电影放映物镜等 须要大孔径小视场的场合。 匹兹堡物镜的改进型式很多，是现在五大类物镜中的一类。 3. 对称型物镜 最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望 镜头，相对孔径为1：30，视场为70度，只能用作风景摄影。 海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在1900年设计出的， 两个透镜的外表几乎是半球面，具有140度左右的视场，相 对孔径很小1：30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在 航测仪器中。
1 2 E ′ = π Lτ ( D f ′ ) 4
τ 为物镜透过率
f′ β≈ l
此式说明照相机的放大率与焦距成正比，而与物距成反比。 由于用途不同，照相物镜的焦距也不相同。通常照相物镜的焦距标准如下：
物镜类型 鱼眼物镜 超广角物镜 广角物镜 标准物镜 短望远物镜 望远物镜 超望远物镜
物镜焦距f’/mm 7.5、15 17、20 24、28、35 50 85、100 135、200、300 400、500、600、800、1200
到1866年，像差理论的发展，使人们认识到对称的胶 合透镜可以把像差校正得很好，设计出了右图所示的物 镜，其相对孔径为1：8，视场为50度，物镜的球差、 色差和慧差都有很好的校正，畸变和倍率色差也因结构 对称而不大。
重钡冕玻璃的出现使得在1890年设计出了普罗塔物镜，该物 镜以其校正了匹兹堡和及像散而优于之前的所有物镜，它的 相对孔径在1：Baidu Nhomakorabea.5-1：18之间，视场为40-90度，由它拍摄的 整张照片都是清晰的。
（2）相对孔径： D f ′ 照相物镜的相对孔径，决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，最高分辨率即通常所说 的截止频率：
N=
D f′
λ
=
2u ′
λ
照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其接收器本身 的分辨率不高，相对孔径的作用并不是为了提高物镜的分辨率，而是为了提高像面光照度：
7. 反摄远物镜 在电影摄影中，常常用到短焦距物镜，为了在物镜后面能 安装取景棱镜，因而要求有长的像方顶焦距。这就需要使 用所谓的反摄远物镜，其是由正负透镜组分离组成，负透 镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到 像方顶焦距大于焦距的目的。 8. 广角物镜 广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。