第五节 短焦摄影镜头有什么特点？

焦距比标准摄影镜头短，同时又比鱼眼摄影镜头长的摄影镜头，称为短焦摄影镜头。短焦镜头通常又分两类：①普通广角摄影镜头（焦距接近标准镜头）；②超广角摄影镜头（焦距接近鱼眼镜头）。

例如，在 135 照相机的摄影镜头系列中，通常将焦距自 17mm 至 21mm 的镜头（即视角大于 90°的非鱼眼镜头），称为超广角摄影镜头，如目前日本尼康公司生产出了焦距 13 毫米、5.6、视角118°的超广角摄影镜头；把焦距等于或大于 24mm，而又比标准镜头焦距短的摄影镜头，称为普通广角摄影镜头。

短焦距摄影镜头的最近调焦距离一般比其它镜头近得多，例如可近至 0.25m 至 0.3m 处拍摄。短焦距摄影镜头的最大相对孔径，介于标准镜头与长焦距镜头之间，光圈系数通常为 f/16。

一、普通广角摄影镜头有什么特点？

  1. 普通广角镜头为什么采用反摄远型结构？

普通广角镜头需要在镜头跟底片之间放置分光元件或反光元件，如安装与镜头主轴成 45°角的反光镜，并保证反光镜工作正常。因此它要求有较长的后工作距（自镜头最后一片透镜的后顶点至镜头像方焦点之间的距离）。

普通镜头的后工作距大都满足不了后工作距“较长”的条件，如双高斯摄影镜头的后工作距通常在 0.5f＇～0.7f＇范围内。例如 DF 广角相机镜头要求后工作距为 38.5mm，显然在设计 f＇＝38mm，2ω＝60°的短焦广角镜头时，不能采用双高斯型结构，因为它要求后工作距大于 f＇， 而双高斯型结构是后工作距小于焦距。

后工作距大于焦距的光学系统称为反摄远型结构。因为它刚好跟摄远型结构相反：负组在前，正组居后的光学结构。其原理如图 4-20 所示， 后工作距 l＇大于焦距 f＇。

  1. 反摄远型结构为什么后工作距大于焦距？

如图 4-20 所示为反摄远型结构的广角镜头，由分离的正、负组构成。靠近物空间的光组具有负光焦度，称为前组。靠近像平面的光组具有正光焦度，称为后组。入射光线经过前组发散后，再经过后组会聚于焦平面 F′。正因为像方主平面位于正组的右侧靠近像平面的空间里，故而反摄远型结构后工作距可以大于焦距（l′＞f′）。

  1. 普通广角镜头的前组与后组都采用什么样结构？

如图 4-21 所示，可见轴外光束（通过轴外边缘点过光阑中心的第二近轴光线）的入射高度跟光阑位置有关，光阑愈远，入射高度愈大。反摄远镜头通常都将光阑设在远离负组的正组中间，轴外光束有较大的入射高度（较大的视场），因此与视场有关的轴外初级像差和高级像差都很大。前组产生的轴外像差力求由本身来校正，剩余量可由后组来补偿， 前组与后组的具体结构形式必须满足校正像差的需要。

①前组的结构：视场不大时，可采用单片负透镜；视场较大时，前组应采用双胶合或双分离的负光焦度结构，甚至可能用其他更复杂的结

构，如鼓型透镜等。

②后组的结构：反摄远镜头的后组承担了较大的孔径，但视场由于前组的发散作用而有所减小。跟一般照相物镜比，仅摄远镜头的后组是对近距离成像的，因为前组的像就是它的物。如图 4-22 所示，由于前组的发散作用使其像点移近镜组，若物点在无限远，像移至 F＇点，若物在有限远 P 点则像移至 P＇点。在物、像关系上，后组更处于对称位置（β

≈-1），对后组本身而言，应该采用对称型结构，但是它还承担补偿前组剩余像差的任务，它必须得有些剩余像差：尤其对垂轴像差（慧差、畸变、倍率色差等），前组无论采用前边所说的哪种结构，自己都难以独自消除，其它像差如场曲和位置色差可通过光焦度的分配，光学材料的选择来校正；球差可通过弯曲来校正；像散可通过前后组位置的调整来校正。因此后组常采用不对称的结构（三片式或匹兹万结构等）。

总之，普通广角镜头，由于要求有较大的后工作距，总体不能采用对称型结构。后组要补偿前组的剩余像差，故后组也不能采用对称型结构，这只是一般性的原则。如果前组采用复杂的结构，能独自校正各种像差，后组采用对称型结构也没有什么不行。在后边的实例中可以见到， 后组有的采用了对称型结构。

  1. 广角镜头的视场边缘照度低，用什么方法提高？根据像面边缘照度

    E′与中心照度关系公式（E0′为中心照度，ω′为像方视场角）

E′＝E′0 cosω′

可知，广角镜头的边缘照度，随像方视场ω′的增大而急剧降低。尤其在校正像差过程中，为使边缘成像清晰，常有意拦掉一部分轴外光线， 这就加重了 E′与 E′0的悬殊程度（增大了视场边缘的渐晕性）。由上式可知，减小ω′可增 E′（E′0一定）。如果保持物方视场角不变，增大前负组光焦度绝对值（｜ϕ1｜），可减小像方视场角ω′；

如果把光阑移至后正组前焦点 F2 的位置，如图 4-23 所示。第二近轴光线的出射线必平行于主轴，则ω′＝0，E′1＝E′0。可见，此时整个像面上没有渐晕现象，照度均匀。当然，作为一个具体广角镜头，要从校正像差，增强边缘照度等多方面来权衡。

  1. 广角镜头的具体光学结构有多少种？

各种形式的反摄远（广角）镜头，目前世界上已有上百种之多，下边仅举几个实例。

例一：图 4-24 所示为广角镜头光学结构图。从图中得知，前组是一

组一片的负透镜，根据前边 3 中的原则可判断它适用于视场不大的条件

（当然得比标准镜头镜场大点）。前组弯向光阑以减小像差，但它各种剩余像差都会有；后组是复杂的正光组，除了校正本部分各种像差之外， 还得平衡前组的剩余像差。

例二：图 4-25 所示的广角镜头，视场角可达 60°；相对孔径为 1∶ 2.8；这种镜头常用于摄制彩色电影。前负组是两组二片结构；正后组是四组六片对称结构（双高斯型），它可以独自校正七种初级像差，有剩余的高级像散和轴外球差可补偿前组；由后组可补偿的像差判断，前组能校正高级像散和轴外球差之外全部像差（因为它是由正、负透镜匹配的光组）。

例三：图 4-26 为尼柯 24mm 具有调焦补偿元件的广角镜头的光学结构图。

为什么要加调焦补偿元件呢？反摄远镜头，总体都是非对称结构， 所以近距离拍摄时摄影镜头的成像性能往往有所降低。例如有的广角镜头在近距拍摄时，场曲明显增大。如果用调焦补偿元件来平衡近摄时出现的像差以保持成像的清晰度。例如，要拍摄较近距离处的景物而转动调焦环，使整个光学系统向前伸出的过程中，调焦补偿元件将产生附加旋转伸缩运动（有的需单独调节），改变光组间的距离，用其引起的像差，去平衡因物距变化引起的像差。

在图 4-26 中，1 是摄远型镜头的前负组，是三分离的三组三片结构； 2 是正后组，是四组六片结构；4 为调焦补偿元件，是二组三片结构。3 所指方向是由无限远向近距离处（0.3m）调焦时整个光学系统的运动方向，4 为向近距离处（0.3m）调焦时调焦补偿光学元件的附加运动（相对运动）方向。

  1. 反摄远型结构有哪些应用？

目前单镜头反光照相机，普遍采用反摄远型结构。在普通摄影中， 采用反摄远型短焦广角镜头，可获得较大视场的画片和丰富的体视威（立体感）。

由于反摄远型镜头的前组透镜片直径较大，整个镜头的长度和体积都比标准镜头明显增大。

二、超广角摄影镜头有什么特点？

超广角摄影镜头是供非单镜头反光取景照相机使用的短焦距摄影镜头，其对角线视角一般大于 90°。这种镜头不要求后工作距长，通常都采用对称型结构。常见的有两种类型：

①最前端与最后端均为正组透镜；

②最前端与最后端均为负组透镜。

超广角镜头是航空摄影中常见的镜头。由于视场大，轴外像差很大， 像面照度不均。当视场角等于 120°时，边缘视场的照度仅是中心视场照度的 6.2％。这样的照度分布，对于底片特别是彩色底片是不允许的。因此，研究轴外像差的校正问题和像面照度的补偿问题，是超广角镜头的关键性的核心问题。下边就几个实例对像差的校正作初步分析。

  1. 海普岗超广角镜头的像差校正情况如何？

图 4-27 所示为海普岗镜头的光学结构图，是最早出现的超广角镜头。由于对称性，可使垂轴像差自动得到校正，调整两透镜的间距可以校正像散 SⅢ。在典型部件（对称结构）像差分析中得知：整个对称系统的轴向像差：球差、像散、场曲和位置色差均为半部的 2 倍。在研究高斯物镜时，首先是对每半部校正场曲，位置色差、球差等。但海普岗镜头的每个半部只是一个弯月型透镜，根本无力校正球差、色差。因此这种镜头的孔径指标特别小，可减小跟孔径有关的球差等。

  1. 托普岗超广角镜头的像差校正情况如何？

因为只有正、负透镜的联合系统（胶合或分离的）才能校正球差、色差。如果在海普岗结构基础上，加入两块无光焦度透镜组如图 4-28(a)

所示，这样不会影响只跟光焦度分布有关的场曲，然后将正透镜跟弯月型透镜组合起来，负透镜分离出来，就构成了如图 4-28(b)所示的托普岗超广角镜头。

这种结构使负透镜极度弯曲，且与光阑同心，可以产生大量的正球差，但产生的像散很少。负透镜采用火石玻璃，这样每个半部在总光焦度ϕ一定的条件，有：

 v

 1 v − v ϕ

 1 2

ϕ = − v2 ϕ

 2

v1 − v2

ϕ＞0 时，正透镜用冕玻璃，负透镜用火玻璃，系统可消色差。负透镜的正球差可以补偿正透镜的负球差。

负透镜产生的像散很小，不影响系统原像散的平衡。

负透镜的场曲可以补偿正透镜的场曲。相对孔径可提高到 D/f＇＝ 1/6.3。

图 4-29，是托普岗型广角镜头的基本结构型式，目前，在它的基础上改进发展有几十种之多，它也是早期的广角镜头（与图 4-28 结构相同）。

这种镜头的视场角可达 90°，焦距短，相对孔径为 1∶4.5。缺点是照度不均匀，畸变较大。常用于拍摄狭窄地域中的建筑物、广大场面的新闻摄影、展览大厅中大范围内的展品等。由于广角物镜口径小，所以景深范围大，故适于拍摄景深大的景物。

  1. 鲁萨型镜头用什么方法改善像场边缘照度？

①鲁萨型镜头为什么采用“负-正-负”型结构？“正-负-正”型的托普岗镜头畸变大，像场边缘照度太小。为了克服这些缺点，进一步校正垂轴像差，尤其是畸变，一律采用如图 4-30(a)与(b)所示的两端是负组，中间是正组的光学结构。这种对称型结构，像方视场角ω′几乎与物方视场角ω相等，因此这种结构不能像反摄远型结构一样，用增大ω

′的方法改善像面照度。

②鲁萨型结构如何用像差渐晕现象改善像面照度？ 在光学系统中存有两种渐晕：

  1. 几何渐晕：为提高轴外大孔径光束成像质量，有意拦阻一部分光线使轴外成像光束截面积小于视场中心成像光束截面积，因此降低了边缘视场的照度；

  2. 像差渐晕是由光阑慧差产生的。用图 4-31 说明如下：由于前组的光阑慧差，使得交于入瞳边缘点的所有光线（图中画出单箭头和双箭头两条光线），在光阑和出瞳处不再交于一点，而交于两点，这两点的距离称为光阑慧差。在本图条件下，轴外点出瞳面积小于轴上点出瞳面积。但这不是普遍规律。考虑到几何渐晕和像差渐晕两种因素，一个光学系统的照度为：

E′＝E′0K1K2cos4ω′

式中 E′0为像面中心照度，K1 为面渐晕系数（表征几何渐晕性质），它恒小于 1；ω′为像方视场角，在鲁萨型结构中，ω′≈ω；K2 为像差渐晕

系数，它可以小于、等于、或大于 1。在反摄远系统中 K2＜1；但在鲁萨型结构中它可以等于一，因为轴上或轴外点入瞳处光束面积相等，则在出瞳处的面积也必然相等。甚至可大于一。如图 4-32 所示，由于入瞳和出瞳面上存在光阑慧差，在入瞳处轴外点的光束孔径 Dω大于轴上点光束孔径时，则出瞳处的轴外点光束孔径必大于轴上点光束孔径，则 K2＞1。在轴外像差校正到允许程度，同时光学系统前、后组光阑慧差必须

是对称的前提下，方可用增大 K2 的方法改善像面照度。

图 4-30 所示的两种镜头，光学性能指标可达 D/f′＝1/8，2ω＝122

°。这种超广角镜头为了增大光阑慧差，极度地弯曲了前后组的球壳， 虽然照度分布规律由 cos4ω′提高到 cos3ω′。但轴外像差增大了，以至于光阑慧差太大，使轴外宽光束聚焦不好而影响轴外分辨率。

  1. 用滤光镜为什么能改善阿维岗超广角镜头的像面照度？

图 4-33 所示的光学结构，就是阿维岗型超广角镜头的结构形式，它是一个四球壳的物镜，有的做成五球壳或六球壳物镜。这种物镜首先考虑的是校正像差，用分离的球壳透镜分担光焦度，轴上和轴外像差校正的都很好。常用它做航测相机的镜头。

在镜头前加滤光镜可以改善像面照度，是因为滤光镜上镀有不均匀的透光膜，中心透光率只是边缘透光率的 50％。使阿维岗整个像面照度分布是：从中心到ω＝45°的视场内的照度为 E′＝E′0cos2 ω′；45

°视场以外的照度为 E′＝E′0cos3ω′。

综上所述可见，所有超广角镜头的光学结构都符合“对称”和“同心”原则，可使整个系统的初级垂轴像差自动平衡；为了校正轴向像差， 必须正负透镜组合；为了提高光学性能必须使系统进一步复杂化，如阿维岗镜头两端的负组是由两个（或更多）球壳构成，中间的正组是具有两个胶合面的鼓型结构。因为航测镜头对物像间的几何相似要求特别严格，对场曲和畸变的校正程度要高。实际像差的校正程度也是相对的， 所说托普岗型镜头的畸变大，对航测来说是太大，对拍摄一般景物而言就不算大，因为它必定是对称型结构，有能力使初级畸变校正至零。