第三节 标准镜头有什么特点？

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。

1. 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。

1. 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。

1. 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

 1 1 

与场曲。根据各种像差公式及光焦度公式，(ϕ1 ＝(n1 - 1) r − r ，ϕ2

 _{1 2} 

= (n

− 1) 1 1 ，ϕ = ϕ + ϕ



− dϕ ϕ

，在总光焦度一定的条件，可

 − 

² r r

1 2 1 2

 _{3 4} 

以在 n1，n2，d，r 不同条件下，分配ϕ1 与ϕ2。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。

1. 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。

1. 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。

1. 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°。

1. 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。

1. 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。

1. 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

ic

_{Ⅲ ∝ i ）。要平衡薄透镜后折射面的像散，需要将光阑尽量靠}

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。

二、摄影镜头有多少种？

目前摄影镜头种类繁多，无论是国内的还是国外的有的已形成了各自的系列。如卡侬共有 55 种不同焦距和性能的摄影镜头，其中卡侬新 FD 系列镜头就有 52 种（焦距由 15mm 到 800mm，其中包括鱼眼、广角、标准、长焦、折反型、变焦、自动调焦、微距等摄影镜头），焦距为 7.5mm 的新鱼眼摄影镜头，焦距为 500mm 的新折反摄影镜头，TS 型移距摄影镜头

（焦距为 35mm）各一种，计 55 种，另外还有三种倍率镜，其中标准镜头有 50mm，1：1：2，1：1.4，1：1.8 三种规格，可见，国内外不同厂家生产的摄影镜头种类是很多的。

三、摄影镜头的调焦方式有几种？

1.什么叫调焦？

在图 4-1 所示的照相机原理图中，当被摄体与照相机位置确定以后， 在小范围移动摄影镜头或胶片（曝光窗），或改变焦距（摄影镜头通常是由多个镜片构成，只要改变部分组元间的距离，就可使其焦距改变）， 以调节物距、像距、焦距，使三者满足高斯公式即可获得清晰像。上述调节过程叫做调焦。2.常用的调焦方式有几种？

由于调节过程不同，调焦方式可分三种：曝光窗调焦、整组调焦、部分组元调焦。

①什么叫曝光窗调焦？

曝光窗就是装胶片的框（或夹），调节调焦钮时，曝光窗沿主轴方向作前后移动，而被摄体与摄影镜头静止不动，所以曝光窗调焦过程是在物距、焦距一定的前提下，通过改变像距来实现三者满足高斯公式的

过程。

这种调节过程常用于一些大型照相机和转机上。

②什么叫整组调焦？

当被摄体与照相机曝光窗位置静止不动时，转动调焦环（或钮）时， 镜头的整个光学系统为一个整体沿主轴前后移动，调焦过程中，镜头焦距一定，但物距与像距同时改变来使三者满足高斯公式。这种调焦方式对像差影响小，但结构复杂，体积和重量较大。

整组调焦按镜头（光学结构）运动方式可分为平移和转移两种。平移式调焦在调焦时，摄影镜头的整个光学系统只沿主轴前后平移而不转动，标准镜头大都采用此种调焦方式；转移式调焦在调焦时，光学系统在沿主轴前后移动同时又绕主轴转动（常见于某些早期摄影镜头上）。

③什么叫部分组元调焦？

转动调焦环（钮）时，摄影镜头光学系统中，只是部分组元沿主轴方向作前后移动，其它组元静止不动，被摄体与曝光窗也保持不动，但物距、像距、焦距三者同时变化直至满足高斯公式时，像最清晰。

根据联合光具组的焦距公式

f＝ f1 f2

∆

部分组元间的距离△改变时，它们的联合焦距就发生变化，从而使摄影镜头整个光学系统的总焦距发生变化。

根据联合光具组的主点位置公式可知，当△改变时其主点（主平面） 的位置也改变。因此，虽然被摄物体、曝光窗、光学系统总体位置不动， 但因部分组元间距离△的变化，而导致物距、像距、焦距三者同时变化， 直至三者满足高斯公式，调焦过程才完成。部分组元调焦主要应用于变焦摄影镜头及长焦摄影镜头（为内调焦）。因为这两类摄影镜头体积很大，并且很重，不适合整组调焦。

此种调焦方式：调焦机构的结构简单，体积和重量都小；缺点是镜头的像差校正不理想，成像不理想。因为当被摄体，曝光窗位置一定时， 像差是光学系统的结构（r，d，n）的函数，对某一间距校正了像差，当间距改变时，像差也随之改变，不能同时对各种间距都校正好像差，除非设置补偿机构。

1. 整组调焦时，镜筒的伸出量如何计算？

图 4-12 所示，虚线表示对无限边物体调焦时，摄影镜头光学结构的位置；实线是其对有限远调焦时的位置。

根据空气中高斯公式

1 − 1 = 1

S′ S f ′

当镜头对无限远调焦时，S＝-∞，则 S′＝f′，此时整个光学系统缩至终点位置（系统像方主平面跟曝光窗间的距离等于焦距）；当对有限远调焦时，随着物距的逐渐缩小，像距（S′）就逐渐增大，整个光学系统向前伸出量为 x′；对于普通摄影，物距 S 再减小也是 S＞＞f′，像仍然成在焦平面附近的曝光窗内，即像点的位置不变（还是 P′点），此时的像距 S′＝x′+f′；x′是镜筒伸出量也是镜头焦点前移的量也就是对有限远调焦时的焦物距。

对有限远调焦应用高斯公式

1

− 1 = 1

f ′ + x′

解方程，求得镜筒伸出量 x′为

S f ′

x′ = −

f ′ ²

f ′ + S

(4 − 1)

1. 镜筒伸出量公式如何应用？

我们以几个实例来说明式（4-1）的应用。例一：已知摄影镜头的焦距为 18mm，求自无穷远位置分别调焦至物距为：20，15，10，5，2，1， 0.5，0.3 米（m）时，镜筒的伸出量 x′。

解：首先得统一单位，如都变为毫米，当 S＝-20m＝-20000mm，则

x′ = −

182 =

18 − 20000

18²

20000 − 18

= 0.0162mm

同理可求得相应各物距对应的镜筒伸出量如表（4-3）所示。

例二：某摄影镜头的焦距为 50mm，求自无限远位置分别调焦至 20， 15，10，5，2，1，0.5，0.3（m）时，镜筒的伸出量 x′。

计算出的数据如表 4-3 所示。

表 4-3

例三：已知某摄影镜头焦距为 100mm，求自无限远位置

分别调焦至物距为 20，15，10，5，2，1，0.5，0.3 米（m）时，镜筒伸出量 x′。

解得数据如表 4-3 所示。5.整组调焦有什么规律？

从上述三例的计算结果（表中数据）可见：

①当自无限远档调至同一有限物距档时，镜头的焦距愈短，镜筒伸出量愈短；焦距愈长，镜筒伸出量也愈长。焦距一定时，调焦距离愈小， 镜筒伸出量愈大。因而为了使摄影镜头轻便，镜头的焦距愈长，其最近调焦距离相对要远。如果超常焦距摄影镜头也采用整组调焦方式，必然笨重，所以纷纷采用内调焦方式。

②调焦时镜筒伸出量的大小与物距的移近距离不成比例，因此，摄影镜头环（钮）上的调焦距离标尺的各刻线并不按调焦距离的大小等间

隔排列，而是调焦距离愈远各刻线彼此排列得愈密集，调焦距离愈近刻线彼此排列得愈稀疏。

四、标准镜头有什么优点？

标准镜头跟其它镜头（鱼眼镜头、广角镜头、长焦镜头、变焦镜头等）比，焦距、视场角等都适中，画幅中各景物间透视关系跟人眼视觉的透视关系很接近，所以看起来觉得画面很逼真。标准镜头像差比同档次其它镜头校正得好，所以成像质量高；其相对孔径相对来说容易制造得较大，所以在低照度下比其它镜头容易拍摄。在单镜头反光照相机中， 标准镜头最轻便。