照相物镜的主要性能

12.2.1　照相物镜的主要性能

照相物镜（通常简称镜头）是照相机的最主要组成部分，其主要光学特性决定了系统的使用性能。一般描述物镜光学特性的参数有三个，即焦距f＇、相对孔径D/f＇和视场角2ω。此外，在数码摄像与摄影系统中，对物镜还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。下面分别进行说明。

1）焦距f＇

照相机镜头的焦距f＇是镜头的一个非常重要的指标。镜头焦距的长短决定了被摄物在成像介质（胶片或CCD等）上成像的大小，即决定了物和像的比例。在图12.1中，若物在无限远，像的大小由下式决定：

y＇=－f＇·tanω　　　　　　　　　　　　　　　（12.3）

式中ω为物方视场角。若物在有限远，像的大小由下式决定：

由式（12.3）和式（12.4）可知，当对同一距离同一被摄目标拍摄时，所使用的镜头的焦距越长，则像越大。根据用途的不同，照相机镜头的焦距相差非常大，例如用于拍摄数千米以上的远距离照相机和航空航天摄影摄像机物镜，为了获得足够大的比例尺，所采用的长焦距照相物镜，其焦距一般为数百毫米，甚至可达数米；而显微照相物镜焦距则很短，有的只有几个毫米。普通民用照相机镜头其焦距介于上述两者之间，小则十几毫米，大可到几百毫米。一般而言，135相机的标准镜头焦距约为28～70mm，如果焦距高于70mm就代表支持摄远效果，若是低于28mm就表示有广角拍摄能力。135镜头焦距较常见的有8mm。15mm、24mm、28mm、35mm、50mm、85mm、105mm、135mm、200mm、400mm、600mm、1200mm等，还有长达2500mm超长焦望远镜头。

2）相对孔径D/f＇和光圈数F

照相物镜另一个重要的光学指标是相对孔径。它表示能进入镜头到达底片上的光能量，因而决定像平面光照度。其定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）D与镜头焦距f＇之比，用D/f＇表示。例如某照相物镜的最大光孔直径是25mm，焦距是50mm，则其最大相对孔径就是1/2。

照相物镜像面上轴上像点的照度公式为：

式中：L为拍摄物体的亮度；τ为镜头的透射比。式（12.5）表明，在给定系统的透射比τ和物体亮度L后，像平面的光照度与照相物镜相对孔径的平方成正比。显然，照相物镜的相对孔径主要影响像平面光照度。为了满足对较暗景物或高速运动物体的摄影，需要采用大相对孔径物镜，以提高像平面上的光照度。

根据相对孔径大小不同，普通小型照相机物镜可分为：弱光照相物镜（D/f＇在1∶6.3以下）、普通物镜（D/f＇在1∶5.6～1∶3.5）、强光物镜（D/f＇在1∶2.8～1∶1.4）和超强光物镜（D/f＇在1∶1～1∶0.8）。

由于拍照的对象和条件是变化的，为了使同一镜头能适应于各种不同的情况，以使像面得到适当的照度，照相物镜的孔径光阑采用直径可连续变化的可变光阑（如叶片式可变光阑）。通常标出的镜头相对孔径对应于可变光阑的最大直径。

相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称F数，即F=f＇/D。在照相机的镜头上通常都标有光圈数。国家标准按照光通量的大小规定了各级光圈数的排列次序是：0.7，1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22，…。但国家标准允许镜头的最大相对孔径标记可以不符合标准系列中的数字。当焦距f＇固定时，F数与入瞳直径D成反比。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。光圈每差一级（其数值比都是1.414），其光通量就相差一倍。对照相机镜头而言，F数是个特别重要的参数，F数越小，镜头的适用范围越广。表12.1表示了国家标准的相对孔径排列，表中数据表明，在同样的曝光时间内，相邻两挡光圈数在像面上的照度值相差一倍，即光圈下降一挡，像平面照度减小一半。

表12.1　照相机相对孔径排列表

为使同一亮度物体在底片上的像对感光器件产生相同的感光作用，当选用不同光圈（相对孔径）时，应相应地改变拍摄的曝光时间t，以使像面上的总曝光量相同。若令H表示曝光量，E表示像面上的光照度，则有

即当曝光量一定时，曝光时间与相对孔径的平方成反比。曝光时间t，由相机的快门决定。

相对孔径还影响像面上获得清晰像的空间深度范围，即景深。其规律是：相对孔径越小，成像的景深越大。为此，摄影中常利用调节光圈的大小来控制景深。

3）视场角2ω

照相物镜的视场角2ω决定了被摄景物的空间范围。通常，照相物镜的视场由像平面上具有满意成像质量的圆形区域的直径决定，或由相机所采用的感光器件的感光面尺寸决定（如图12.3所示）。现将各种主要类型的感光器件的感光尺寸范围列于表12.2。表12.2中胶片类感光器件常用于传统照相机和电影摄像机；而光电器件常用于数码相机和数码摄像机。

图12.3　照相物镜视场角示意图

照相机的视场角和感光尺寸之间的关系，可由无限远物体理想像高与焦距之间的关系公式表示：

式中：y＇表示相机感光幅面对角线长度的一半；a、b分别为感光幅面长和宽尺寸。式（12.7）表明，在幅面即像高y＇一定的条件下，f＇越小，则2ω越大。因此短焦距镜头，也就是大视场镜头。照相物镜属大视场系统，普通照相物镜视场角约为40°～60°；广角物镜可达120°，甚至更高。根据视场角的大小，照相物镜可分为：窄角镜头（2ω在40°以下），常角镜头（2ω= 45°），广角镜头（2ω=70°～100°）和超广角镜头（2ω在100°以上）。

4）分辨率

摄影摄像系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器件的分辨率。照相物镜分辨率表示照相物镜分辨被摄物体细节的能力，是衡量其成像质量的重要指标之一，通常用像平面上每毫米能分辨开黑白线条的对数（lp/mm）表示。照相物镜的理想分辨率N_O可由下式计算得到：

由式（12.8）可见，照相物镜F数越小，即相对孔径越大，则分辨率越高。由于实际照相物镜存在像差，实际分辨率将比理想分辨率低。

表12.2　各种主要类型感光器件的感光尺寸范围

照相系统分辨率用N表示，它由照相物镜本身的分辨率N_O和感光底片或光电器件分辨率N_D决定，三者之间的关系可用下面的经验公式表示

随着感光器件不同，接收器件分辨率差别很大，例如普通21°胶片的分辨率约为80lp/mm；精密制版用的超微粒干版的分辨率可达1000～2000lp/mm。而光电器件的分辨率由像素大小决定，一般数字相机镜头光学设计要达到1/2Piexl线对，Pixel为像素尺寸大小。

根据照相物镜标准规定，照相物镜分辨率分为三级，如表12.3所示。

表12.3　照相物镜分辨率等级标准