6.1照相物鏡及其光學特性6.2照相物鏡的類型6.1照相物鏡及其光學特性6.1.1照相物鏡的光學特性1.焦距f'照相物鏡的焦距決定了所成像的大小。當物體處于有限距離時,像高為對一般照相機來說,物距l(xiāng)都比較大,通常在一米以上,而鏡頭的焦距一般只有幾十毫米,因此像平面靠近焦面,l'≈f',故有當物體處于無限遠時,式(6.1)可以簡化為由此可以看出,像高y'與物鏡的焦距成正比。由于用途不同,因而照相物鏡的焦距也不相同。通常照相物鏡的焦距標準如表61所示。2.相對孔徑照相物鏡的相對孔徑決定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度。這里的最高分辨率亦即通常所說的截止頻率N,其表達式為照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率,多數(shù)照相物鏡因其接收器本身的分辨率不高,相對孔徑的作用并不是為了提高物鏡分辨率,而是為了提高像面光照度E',其表達示為從式(6.4)可以看出,當物體光亮度與光學系統(tǒng)的透過率一定時,像面光照度E'僅與相對孔徑的平方成正比。照相物鏡按其相對孔徑的大小,大致分為以下四種:(1)弱光物鏡,相對孔徑小于1∶9;(2)普通物鏡,相對孔徑為1∶9~1∶3.5;(3)強光物鏡,相對孔徑為1∶3.5~1∶1.4;(4)超強光物鏡,相對孔徑大于1∶1.4,甚至高達1∶0.6。為了使同一照明物鏡在各種照明條件下所拍攝的像具有適當?shù)墓庹斩?照明物鏡的孔徑光闌均采用直徑可以連續(xù)變化的可變光闌。它的變化檔次均以1/2為公比的等比級數(shù)排列,即像面光照度每檔次之間相差1/2倍。通常把相對孔徑規(guī)劃為如表62所示的規(guī)格,并把相對孔徑的倒數(shù)稱為F數(shù)或F光圈。F光圈只表明物鏡的名義相對孔徑,稱為光闌指數(shù),如考慮到光學系統(tǒng)的透過率τ的影響,那么表明實際相對孔徑的有效光闌指數(shù)則為3.視場角照相物鏡的視場角決定其在接收器上成清晰像的空間范圍。按視場角的大小,照相物鏡又分為以下四類:(1)小視場物鏡,視場角在30°以下;(2)中視場物鏡,視場角在30°~60°之間;(3)廣角物鏡,視場角在60°~90°之間;(4)超廣角物鏡,視場角在90°以上。照相物鏡沒有專門的視場光闌,視場大小被接收器本身的有效接收面積所限制,即以接收器的邊框作為視場光闌。在相對孔徑最大時,物鏡中的某些透鏡還要遮攔掉一些離主光線較遠的軸外斜光束,離開中心視場越遠,遮攔越嚴重。這種光線遮攔的現(xiàn)象稱為漸暈,漸暈導致軸外點成像的相對孔徑比中心點成像的相對孔徑小。在相機畫面大小一定的條件下,視場角直接和物鏡的焦距有關,根據(jù)無限遠物體的理想像高公式:照相物鏡上述三個光學性能參數(shù)是相互關聯(lián)、相互制約的,這三個參數(shù)決定了物鏡的光學性能。企圖同時提高這三個指標則是困難的,甚至是不可能的。只能根據(jù)不同的使用要求,在側重提高一個參數(shù)指標的同時,相應地降低其余兩個參數(shù)的指標。比如,長焦距物鏡的相對孔徑和視場角均不能很大;而廣角物鏡的相對孔徑和焦距亦不能太大。這種關系可以從表63中的幾種物鏡的光學特性反映出來,這些物鏡結構的復雜程度是相似的,它們都是由四塊透鏡構成的。從表63中可以看到,隨著相對孔徑的增加,相應的視場角便減小。如果要求在相對孔徑不變的條件下提高視場,或者在視場不變的條件下提高相對孔徑,或者使二者同時提高,則必須使物鏡的結構復雜化才有可能辦到。Д·С.волосов曾經給出下列經驗公式:用來表示三個光學性能參數(shù)之間的關系。對于多數(shù)照相物鏡來說,Cm差不多是個常數(shù),約為0.24左右。既然上述三個光學性能參數(shù)代表了一個物鏡的性能指標,那么它們之間的乘積為該乘積是二倍的拉氏不變量。因此可以說,拉氏不變量可以表征一個物鏡總的性能指標。6.1.2照相物鏡的像差要求與目視光學系統(tǒng)相比,照相物鏡同時具有大相對孔徑和大視場。因此,為了使整個像面都能得到清晰的并與物平面相似的像,差不多需要校正所有七種像差。但是,并不要求這些像差都校正得與目視光學系統(tǒng)一樣完善。這是由于照相物鏡的接收器無論是感光底片還是攝像管,它們的分辨率都不高。由于接收器的這種特性,決定了照相物鏡是大像差系統(tǒng),波像差在2λ∶10λ之間仍然有比較好的成像質量,但這是對大多數(shù)照相物鏡而言的。以超微粒感光底片為接收器的微縮物鏡和制版物鏡,則要求它們的像差校正應與目視光學系統(tǒng)一樣完善。照相物鏡的分辨率是相對孔徑和像差殘余量的綜合反映。在相對孔徑確定后,制定一個既能滿足使用要求,又易于實現(xiàn)的像差最佳校正方案,則是非常必要的。為此,首先必須有一個正確的像質評價方法。在像差校正過程中,為方便起見,往往采用“彌散圓半徑”來衡量像差的大小,最終則以光學傳遞函數(shù)對成像質量做出評價。6.2照相物鏡的類型6.2.1大孔徑物鏡1.匹茲萬物鏡匹茲萬物鏡是在1841年由匹茲萬設計的,它是世界上第一個用計算方法設計出來的鏡頭,也是1910年以前在照相機上應用最廣的、孔徑最大的鏡頭。匹茲萬物鏡最初的結構型式如圖6.1(a)所示。1878年以后,后組改為膠合形式,如圖6.1(b)所示。匹茲萬物鏡能夠適應的孔徑為D/f'=1/1.18,適用的視場ω<16°。匹茲萬物鏡由彼此分開的兩個正光焦度鏡組構成。由于物鏡的光焦度由兩組承擔,因此球面半徑比較大,這對球差的校正比較有利。但是,也正因為正光焦度是分開的,匹茲萬場曲加大了。為了減小匹茲萬場曲,可以盡量提高正透鏡的折射率,減小負透鏡的折射率。但是,由于折射率差減小了,球差和正弦差的校正就很困難了,中間膠合面的半徑必然隨之減小,球差的高級量隨之增加。若把前后膠合透鏡組改為分離式的,如圖6.2(a)所示,則可以稍有改善。最好的辦法是在像面附近增加一組負透鏡,如圖6.2(b)所示,使匹茲萬場曲得到完全的校正,同時還可以用這塊負透鏡的彎曲來平衡整個物鏡的畸變。它的缺點是工作距離太短,只能用在短工作距離的條件下,如用來做放映物鏡等。2.柯克物鏡(三片式物鏡)柯克物鏡是薄透鏡系統(tǒng)中能夠校正全部七種初級像差的簡單結構,它所能適應的孔徑是D/f'=1/1.5,視場是2ω=50°?？驴宋镧R由三片透鏡組成,如圖6.3所示,為了校正匹茲萬場曲,應該使正、負透鏡分離?？紤]到校正垂軸像差,即彗差、畸變和倍率色差的需要,應該把鏡頭做成對稱式的,所以三片式的物鏡應按“正—負—正”的次序安排各組透鏡,并且在負透鏡附近設置孔徑光闌?？驴宋镧R有八個變數(shù),即六個半徑和兩個間隔。在滿足焦距要求后還有七個變數(shù),這七個變數(shù)正好用來校正七種初級像差。為了使設計過程簡化,最好用對稱的觀點設計柯克物鏡。把中間的負透鏡用一平面分開,組成一個對稱系統(tǒng),然后求解半部結構。3.天塞物鏡和海利亞物鏡天塞物鏡和海利亞物鏡都是由柯克物鏡改進而成的。柯克物鏡的剩余像差中以軸外正球差最嚴重,若把最后一片正透鏡改為雙膠合透鏡組,軸外光線中以上光線在膠合面上有最大的入射角,可造成高級像散和軸外球差的減小,這就構成了天塞物鏡,見圖6.4。如果把柯克物鏡中的正透鏡全部改成膠合透鏡組,就得到了海利亞物鏡,見圖6.5。海利亞物鏡的軸外成像質量得到了進一步改善,它所適用的視場更大,所以常用于航空攝影。4.松納物鏡松納物鏡也可以認為是在柯克物鏡的基礎上發(fā)展起來的,它是一種大孔徑和小視場的物鏡,其結構型式見圖6.6。在柯克物鏡的前兩塊透鏡中間引入一塊近似不暈的正透鏡,光束在進入負透鏡之前就得到了收斂,這樣減輕了負透鏡的負擔,高級像差減小了,相對孔徑增大了。但是,由于引入了一個正透鏡,使SⅣ增大了,并且破壞了結構的對稱性,因此使垂軸像差的校正發(fā)生了困難。計算結果表明,松納物鏡的軸外像差隨視場的增大急劇變大,尤其是色彗差極為嚴重,于是松納物鏡不得不降低使用要求,它所適用的視場只有20°~30°。5.雙高斯物鏡雙高斯物鏡是一種中等視場大孔徑的攝影物鏡,它的光學性能指標是D/f'=1/2,2ω=40°。雙高斯物鏡是以厚透鏡校正匹茲萬場曲的光學結構,半部系統(tǒng)由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成,如圖6.7所示。由于雙高斯物鏡是個對稱的系統(tǒng),因此垂軸像差很容易校正。設計這種類型的系統(tǒng)時,只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正。在雙高斯物鏡中依靠厚透鏡的結構變化可以校正場曲SⅣ,利用薄透鏡的彎曲可以校正球差SⅠ,改變兩塊厚透鏡間的距離可以校正像散SⅢ,在厚透鏡中引入一個膠合面可以校正色差CⅠ。雙高斯物鏡的半部系統(tǒng)可以看做由厚透鏡演變而來,一塊校正了匹茲萬場曲的厚透鏡是彎月形的,兩個球面的半徑相等。在厚透鏡的背后加上一塊正、負透鏡組成的無光焦度薄透鏡組,對整個光焦度的分配和像差分布沒有明顯的影響,然后把靠近厚透鏡的負透鏡分離出來,且與厚透鏡合為一體,這樣就組成了一個兩球面半徑不等的厚透鏡和一個正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半部系統(tǒng),如圖6.8所示。這個半部系統(tǒng)承受無限遠物體的光線時,可用薄透鏡的彎曲校正其球差。由于從厚透鏡射出的軸上光線近似平行于光軸,因此薄透鏡越向后彎曲,越接近于平凸透鏡,其上所產生的球差及高級量越小。但是,該透鏡上軸外光線的入射狀態(tài)變壞,隨著透鏡向后彎曲,軸外光線的入射角增大,于是產生了較大的像散。為了平衡SⅢ,需要把光闌盡量地靠近厚透鏡,使光闌進一步偏離厚透鏡前表面的球心,用該面上產生的正像散平衡SⅢ。與此同時,軸外光線在前表面上的入射角急劇增大,產生的軸外球差及其高級量也在增大,從而引出了球差校正和高級量減小時,像散的高級量和軸外球差增大的后果。相反,若將光闌離開厚透鏡,使之趨向厚透鏡前表面球心,則軸外光線的入射狀態(tài)就能大大地好轉,軸外球差很快下降,此時厚透鏡前表面產生的正像散減小。為了平衡SⅢ,薄透鏡應該向前彎曲,以使球面與光闌同心。這樣一來,球差及其高級量就要增加。以上的分析表明:進一步提高雙高斯物鏡的光學性能指標,將受到一對矛盾的限制,即球差高級量和軸外球差高級量的矛盾,或稱球差與高級像散的矛盾。解決這對矛盾的方法有三種:第一,選用高折射率低色散的玻璃做正透鏡,使它的球面半徑加大。第二,把薄透鏡分成兩個,使每一個透鏡的負擔減小,同時使薄透鏡的半徑加大。這種結構如圖6.9所示。第三,在兩個半部系統(tǒng)中間引入無光焦度的校正板,使它只產生SⅤ和SⅢ,實現(xiàn)拉大中間間隔的目的,這樣,軸外光束可以有更好的入射狀態(tài)。圖6.10是在前半部系統(tǒng)中加入無光焦度校正板的一種結構。采用上述方法設計的雙高斯物鏡可達到視場角2ω=50°~60°。6.2.2廣角物鏡1.反遠距物鏡在普通照相和電影攝影中,為了獲得較大視場的畫面和豐富的體視感,宜采用短焦距的廣角物鏡。由于物鏡和底片之間要放置分光元件或反光元件,因此希望物鏡有較長的工作距,在焦距短的情況下用普通照相物鏡,可能達不到設計上的這一要求。采用所謂“反遠距”的物鏡結構,就能得到大于焦距的后工作距離。反遠距物鏡由分離的負、正光組構成,如圖6.11所示。靠近物空間的光組具有負光焦度,稱為前組。靠近像平面的光組具有正光焦度,稱為后組。入射光線經過前組發(fā)散后,再經過后組會聚于焦平面F'。由于像方主面位于正組的右側靠近像平面的空間里,因此反遠距的后工作距可以大于焦距。反遠距物鏡的光闌常常設在正組中間,所以前組遠離光闌,軸外光束有較大的入射高度,產生了較大的初級軸外像差和高級軸外像差。視場不大時,前組可以采用單片負透鏡;視場較大時,前組應該采用雙膠合的負透鏡和雙分離的負光焦度結構,甚至可以用其他更復雜的結構,如鼓形透鏡等。前組產生的軸外像差力求由本身解決,剩余的量可以由后組補償。反遠距物鏡的后組承擔了較大的孔徑,其視場由于有前組的發(fā)散作用,已經有所減小。和一般照相物鏡比較,反遠距物鏡的后組是對近距離成像的,在成像關系上它處于更加對稱的位置,所以,后組似乎有更充分的理由采用對稱結構。但是考慮到前組剩余的像差,尤其是垂軸像差SⅡ、SⅤ和CⅡ需要后組給予補償,則采用不對稱的結構型式更為合理,如三片式或匹茲萬結構都可以成為后組的理想結構。根據(jù)像面邊緣照度E'與中心照度E'0的關系式E'=E'0cosω'得知,廣角鏡頭視場邊緣的照度隨視場角的增大而減小的速度是很快的。特別是在像差校正中,為了保證邊緣視場的成像質量,需要攔掉一部分軸外光線,更加重了邊緣視場的漸暈現(xiàn)象。在對稱系統(tǒng)中,像方視場角ω'與物方視場角ω大致相等。在反遠距系統(tǒng)中,像方視場角ω'隨前、后組光焦度的分配而變,前組對后組的光焦度比值越大,則同一視場角所對應的像方視場角越小,如圖6.12所示。假設后組的光焦度不變而增大前組的負光焦度,在保證總光焦度不變的條件下,間隔d與前、后組光焦度有如下關系:由于反遠距系統(tǒng)的總光焦度φ<φ2,則當|φ1|提高時,間隔d應該隨之增大。根據(jù)軸外偏角的公式可求得則在物方視場角不變的情況下,當|φ1|提高時,像方視場角ω'將要減小。圖6.12中虛線所示的各組位置和成像關系就是|φ1|提高后的情況。如果把光闌移至后組的前焦點F2上,則像方視場角ω'=0,如圖6.13所示。這是一種遠心光路,由于ω'=0,因此在沒有漸暈的條件下,整個像面的照度是均勻的。2.超廣角物鏡視場角2ω>90°的照相物鏡稱為超廣角物鏡,它是航空攝影中常用的鏡頭。由于視場大,軸外像差也大,因而像面照度更不均勻,當視場角2ω=120°時,邊緣視場的照度僅為中心視場照度的6.25%。這樣的照度比例對于底片特別是彩色底片是不允許的。所以,研究軸外像差的校正問題和像面照度的補償問題是設計廣角物鏡的兩個關鍵。為了校正軸外像差,幾乎所有的超廣角物鏡都做成彎向光闌的對稱型結構,如最早出現(xiàn)的海普崗物鏡,就是由兩個彎曲得非常厲害的彎月形透鏡構成的,如圖6.14所示。為了校正球差和色差,在海普崗物鏡的基礎上,加入兩塊對稱的無光焦度的透鏡組,并且把正透鏡與彎月形透鏡組合起來,負透鏡單獨分離出來,就構成了托普崗型廣角物鏡,如圖6.15所示,圖(a)中間的兩塊透鏡是無光焦度的透鏡組,圖(b)為正透鏡與彎月鏡合并后的結構。負透鏡極度彎曲,且與光闌同心,可以產生大量的正球差,但產生的像散很少。同時采用火石玻璃,可以校正色差。相對孔徑可提高到D/f'=1/6.3。反遠距物鏡改善像面照度均勻性的方法在超廣角物鏡中是不適用的,因為超廣角物鏡為了校正垂軸像差,特別是畸變,一律采用“負—正—負”的對稱結構,像方視場角ω'與物方視場角ω幾乎相等。目前,在超廣角物鏡中,利用像差漸暈現(xiàn)象提高像面照度的方法是一種很好的設計方案。光學系統(tǒng)中存在著兩種漸暈現(xiàn)象,一種是幾何漸暈,一種是像差漸暈。前者是因提高軸外大孔徑成像質量時,有意識攔掉一部分光線而造成的。幾何漸暈使軸外成像光束的截面積小于視場中心成像光束的截面積,進一步降低了邊緣視場的照度。像差漸暈則是由光闌彗差產生的。為了說明像差漸暈的概念,先從反遠距物鏡說起。在圖6.16中,反遠距的前組存在著大量的光闌彗差,使得交于入瞳邊緣P1點的所有光線,在光闌和出瞳處不再交于一點,軸上的光束交于P'1點,軸外光束交于P″1點,P'1P″1就稱為光闌彗差KTZ,它使得軸外點出瞳的面積小于軸上點出瞳的面積。據(jù)以前分析,一個光學系統(tǒng)的照度分布實際上應該遵守如下規(guī)律:目前,普遍用于超廣角物鏡的球殼型結構是一種“負—正—負”的對稱結構。它可以看作是由兩個反遠距物鏡對稱地合成的。顯然,兩部分的光闌彗差是相等的,而符號是相反的;入瞳和出瞳也是對稱的。所以,對球殼型物鏡,盡管在半部系統(tǒng)中存在著光闌彗差,但是只要軸上點和軸外點在入瞳處的光束面積相等,則在出瞳處也一定相等,即K2=1。在像差校正能夠允許時,加大軸外光束的入射孔徑,直到光束完全充滿位于鏡頭中間的光闌,如圖6.17所示。魯薩型超廣角物鏡就是采用加大光闌彗差來補償邊緣像面照度的。圖6.18(a)和D圖6.18(b)是兩種魯薩型超廣角物鏡的結構圖。這兩種魯薩型物鏡的光學性能指標可達/f'=1/8,2ω=122°。這種超廣角物鏡為了增大光闌彗差,極度地彎曲了前、后組的球殼。雖然照度分布的規(guī)律由cos4ω'變成了cos3ω',但軸外像差增大了,以至于由于光闌彗差太大,使軸外寬光束的聚焦效果變得很壞,影響了軸外分辨率。圖6.19是瑞士設計的一種阿維崗超廣角物鏡,它是一個四球殼的物鏡,有的做成五球殼或六球殼型物鏡。6.2.3長焦物鏡為了適應遠距離攝影的需要,物鏡要有較長的焦距,以使遠處的物體在像面上有較大的像。高空攝影物鏡的焦距可達3m,現(xiàn)在普通照相機上也可配有焦距為600mm的長焦距鏡頭。由于焦距長,結構必然很大,為了縮短筒長,宜采用正負組分離且正組在前的結構,或者采用折反射式的結構。和反遠距系統(tǒng)相反,正組在前的正負組分離結構使主面推向物空間,筒長小于焦距,如圖6.20所示。這種結構稱為遠距型系統(tǒng),一般筒長L可縮短三分之一左右。遠距型物鏡的前組承擔了較大的光焦度,前組的結構應該比后組復雜。簡單的遠距型物鏡前組采用雙膠合鏡組或用雙分離鏡組,使負鏡組彎向光闌,這樣有利于像差的校正,如圖6.21所示。當相對孔徑要求較大時,前組宜采用三片或四片透鏡,如圖6.22所示。在圖6.22(a)中,前組用了一片正透鏡與一雙膠合鏡組相配,它可以承擔較大的相對孔徑,減輕膠合面的負擔。而圖6.22(b)是用一塊負透鏡與雙膠合鏡組配合,可以使色差得到較好的校正。6.2.4變焦距物鏡變焦距物鏡是一種利用系統(tǒng)中某些鏡組的相對位置移動來連續(xù)改變焦距的物鏡,特別適宜于電影或電視攝影,能達到良好的藝術效果。變焦距物鏡在變焦過程中除需滿足像面位置不變、相對孔徑不變(或變化不大)這兩個條件外,還必須使各檔焦距均有滿足要求的成像質量。變焦或變倍