镜头的基本结构

镜头的基本结构

　　我从前看到镜头结构图(也包括MTF)是绕着走的。其实现在基本也是。确实看不出啥和实际使用效果有关的东西。但是结构图对镜头设计者就很有用了。能看出来很多东西。特别的是，能看出这个镜头的渊源。以下是小编整理的镜头的基本结构，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。

　　镜头的基本结构

　　镜头不是凭空设计的。虽然我们现在有了很好的计算机辅助设计软件，但从头设计一个镜头，抛弃掉前人上百年的成果，仍然是不太现实的。但是镜头设计师也不会从本来就很差的镜头处起步设计。他们总是选择比较好的镜头。所以，在这一百多年的时间里，大浪淘沙加上市场选择，就出现6种影响特别大的光学设计。现在的镜头都是从它们那里继承下来的。

　　这六种光学设计分别是Petzval人像镜头、快速直线镜头、双高斯镜头、望远镜头、反望远(后对焦)镜头和库克三片镜头。下面分别简介一下这几个镜头。

　　我从前写过一个帖子，是关于像差的。最好是看这篇帖子前看下那篇。否则很可能会看晕。

　　Petzval镜头

　　这就是Voigitlander发家的东西。不过，他是从Petzval处偷来的设计。发明于1850年之前。虽然这个设计已经不太用了，但直到20世纪50年代，都是很广泛使用的。比如投影机。“放大头”是不是也是这种?

　　快速直线镜头

　　它的特点就是对称于光圈。因为这个特点，它的变形、慧差和平面色差都处理得很好。然后它比较容易有球差、场曲和像散。

　　快速直线镜头发明于1860年代。因为它没有啥变形，所以非常适合建筑和风光摄影。直到1900年代，都是很流行的。我估计这也就是Eugene Atget用的镜头了。

　　它的传人很多。最有名的就是蔡司Protar和后来的Tessar了。Tessar之后又发展出了一堆好镜头，不过这是后话了。在库克三片镜头的时候会涉及到。

　　双高斯镜头

　　虽然叫“高斯”，但这个镜头设计其实是和高斯没多少关系的。高斯只是计算和描述了这个概念，而且他还是针对望远镜说的。这个镜头最早是1888年出现的，是在高斯死了30多年之后了。

　　双高斯的特点是对称于光圈(早期的镜头其实都是这么设计的，否则像差会不得了)，而且它还使用了全部弧形和分离的镜片(这点和快速直线镜头不同)，这使得它能做到很大的光圈，而且把场曲和色散的问题基本避免了。不过它也容易产生像散和球差。

　　今天，基本上50mm的定焦镜头全都是这个设计的。天才的蔡司设计师兰道夫博士在双高斯的基础上做了一些改进，就形成了Planar结构。当然，Protar和Tessar也是他设计的。Planar结构，或者说双高斯，是现在50mm甚至更长一些镜头的标准结构了。大中画幅和RF上这种结构更是常见。看看下面的结构图就很清楚了。

　　望远镜头

　　“望远”在这里的准确定义应该是“镜头的实际长度小于焦距”。这个结构是1880年代发明的，虽然它真正广泛的使用要到1920年代了。

　　望远镜头都是通过一个正镜片在前，一个负镜片在后达成长焦距的。望远镜头后面的负镜片其实是放大了画面，所以你说它就是一个内置了增距镜的镜头也不无不可。所以它的光圈也很受限制，就算是要做大，成本也很高(想想200/2和600/4吧)。它也容易有桶状畸变和轴向色散。所以好的望远镜头里通常会有许多超低色散玻璃或萤石。

　　基本上超过135mm的SLR镜头都是望远结构。饼干头或特别小的镜头也会用到这个结构，来减小镜头的体积。

　　反望远(后对焦)镜头

　　这种镜头和望远镜头的结构刚好是反着的，就是负镜片在前，正镜片在后。它的特点就是：让焦距可以小于镜后距。因为镜后距就是镜头的物理长度的最低限制，不能再小了。它的缺点也很多：场曲、慧差、平面色散、变形都有。

　　这种镜头最早是Anegenieux在20世纪20年代为一种摄影机研制的。因为这种摄影机的棱镜限制了镜后距。不过它真正的兴起是因为SLR：SLR的反光镜决定了镜后距不能太小。所以想要做广角镜头。这种结构是必须的。

　　在下面这个图就可以看出为啥广角那么贵了。这是蔡司的21/2.8镜头剖面图。大家可以看到里面的复杂程度。而50mm的头是要简单得多的。所以广角头经常很贵很大，画质还不咋样，就是因为它的光学设计限制了。比较小镜后距的机器(比如RF和微单)，这个问题就要小。

　　库克三片式镜头

　　这种镜头是这六种基础设计里最重要的。因为它是变焦的基本。

　　这种镜头是1890年代由英国的镜头设计师Dennis Taylor设计的。这种镜头对常见的7种相差都有不错的抑制。但最神奇的是，通过移动它中间的镜片的位置，它的焦距和光圈都会改变。这是它最大的特点，现在的变焦镜头都是或多或少采用了这种结构。比如下面的第一个变焦镜头，Voigtlander Zoomar。至于它的后续就太多了。什么Sonnar, Elemar, Triotar，望远镜和显微镜也经常用这个结构。

　　通过下面几个例子我们可以看到现代的镜头是如何利用了上面的几种基本设计。

　　首先是广角变焦头。明显的后对焦设计。前面是弯曲的负镜片，后面则是正镜片。然后它们也有类似的问题：虽然用了很多镜片，但边角的像差纠正不是那么好。

　　然后是望远变焦镜头。可以发现，它们都是用了望远结构。前面是正镜片，后面是负镜片。

　　第三是标准变焦。这种镜头主要用的是比较弱的后对焦设计。所以它通常无法突破135mm。超过这个焦距，就要用到望远设计了。

　　最后是我们常说的“大变焦”。它的结构从哪种结构来的很难看出来，因为它的设计太复杂了。必须同时兼具后对焦、望远、库克三片的特点。人是无法设计出来的。必须靠电脑。所以它的画质也不能和结构比较简单的镜头比。

　　拓展：镜头的参数指标

　　1.镜头的相关参数

　　(1)焦距

　　焦距是光学镜头的重要参数，通常用f来表示。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。

　　(2)光阑系数

　　即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29毫米。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一数值是后一数值的根号2倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。

　　(3)景深

　　摄影时向某景物调焦，在该景物的前后形成一个清晰区，这个清晰区称为全景深，简称景深。 决定景深的三个基本因素：

　　光圈 光圈大小与景深成反比，光圈越大，景深越小。

　　焦距 焦距长短与景深成反比，焦距越大，景深越小。

　　物距 物距大小与景深成正比，物距越大，景深越大。

　　(4)光谱特性

　　光学镜头的光谱特性主要指光学镜头对各波段光线的透过率特性。在部分机器视觉应用系统中，要求图像的颜色应与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在总强度上有一定损失外，其光谱组成并不发生改变。

　　影响光学镜头光谱特性的主要因素为：膜层的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在机器视觉系统中，为了充分利用镜头的分辨率，镜头的光谱特性应与使用条件相匹配。即：要求镜头最高分辨率的光线应与照明波长、CCD器件接受波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。

　　(5)镜头的分辨率

　　描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，计算公式为：镜头分辨率Ｎ＝180／画幅格式的高度。由于摄像头CCD靶面大小已经标准化，如1/2英寸摄像头，其靶面为宽6.4mm＊高4.8mm，1/3英寸摄象机为宽4.8mm＊高3.6mm。因此对1/2英寸格式的CCD靶面，镜头的最低分辨率应为38对线／mm，对1/3英寸格式摄像头，镜头的分辨率应大于50对线，摄像头的靶面越小，对镜头的分辨率越高。

　　(6) 光圈或通光量

　　镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以Ｆ为标记，每个镜头上均标有其最大的Ｆ值，通光量与Ｆ值的平方成反比关系，Ｆ值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。

　　(7)镜头接口

　　镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型，工业摄像头常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。

　　以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的，CCD摄像头的镜头安装有两种工业标准，分别是C-mount 和 CS-mount。两者都有一个1英寸长的螺纹，但两者不同在于镜头安装到摄像头后，镜头到传感器之间的距离：

　　CS-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为12.5 mm

　　C-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为17.5 mm。一个5 mm的垫圈(C/CS 连接环) 可用于将C-mount 镜头转换为CS-mount 镜头

　　2.镜头各参数间的相互影响关系

　　(1)焦距大小的影响情况：

　　焦距越小，景深越大；

　　焦距越小，畸变越大；

　　焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；

　　(2)光圈大小的影响情况：

　　光圈越大，图像亮度越高；

　　光圈越大，景深越小；

　　光圈越大，分辨率越高；

　　(3)像场中央与边缘

　　一般像场中心较边缘分辨率高；

　　一般像场中心较边缘光场照度高；

　　(4)光波长度的影响：

　　在相同的摄像头及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

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