照相物镜的基本类型

12.2.2　照相物镜的基本类型

按照照相物镜的3个主要光学特性参数，即焦距、相对孔径和视场角，结合摄影系统分辨率、像面照度分布和光谱性能等特性，照相物镜通常按下述几种方法分类：

（1）按镜头的焦距和视场角可区分为：标准镜头，短焦（广角）镜头，长焦（望远）镜头三类。

（2）按镜头的焦距能否变化，又可分为定焦镜头和变焦镜头两类。

以下按第一种分类方法介绍几种定焦距基本类型照相物镜的结构与光学特性。

1）标准镜头

一般照相机均配置有标准镜头。标准镜头的焦距和底片画幅的对角线长度基本相等，例如135相机底片对角线长度为43.2mm，因而标准镜头焦距多为50mm，也有45mm和58mm的。其视场角大小虽仍有差别（一般在45°～55°之间），但大都接近人眼的视角，因此用标准镜头拍摄的照片，其画面景物的透视关系比较符合人们的视觉习惯。由于标准镜头的焦距、视场角、拍摄范围、景深以及在相同拍摄距离上所获得的影像尺寸等均比较适中，因而这种镜头应用最广泛，适合拍摄人像、景物、生活等各种照片。标准镜头包括匹兹万物镜、柯克物镜、天塞物镜、海利亚物镜、松纳物镜和双高斯物镜等类型。

匹兹万物镜是匹兹万于1841年在是世界上第一个用光学设计方法设计出的镜头，其最初结构型式如图12.4（a）所示；以后演变为后组取胶合形式，如图12.4（b）所示。匹兹万物镜能够适应的相对孔径为1∶1.8，由于未校正场曲，视场较小，适用的视场范围在16°以下，因而目前应用较少。

图12.4　匹兹万物镜

图12.5　三片型柯克物镜

柯克物镜是一种能校正薄透镜系统中7种初级像差、结构比较简单的三片型照相物镜。其结构型式如图12.5所示，视场角2ω=40°～50°，相对孔径D/f＇=1/4～1/5，是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单、像质较好的一种，广泛应用于廉价的135和120相机中。

天塞物镜和海利亚物镜是由柯克物镜改进而成的。图12.6为天塞照相物镜，它把柯克物镜的最后一个正透镜改双胶合透镜组，以便减小高级像散和轴外球差，改善成像质量。它的光学性能指标为相对孔径D/f＇=1/2.8～1/3.5，视场角2ω=55°，相对孔径与视场都略有增加，有很广泛的应用。图12.7为海利亚物镜，它是将柯克物镜中的两个正透镜全部改为双胶合透镜组，轴外成像质量得到进一步改善，适用的视场更大，常用于航空摄影等。

松纳物镜可视为是柯克物镜的改进，它是一种大孔径、小视场的物镜，其结构型式如图12.8所示。其特点是在柯克物镜的前两块透镜中间加入一块近似不晕的正透镜，用以减小高级球差，但由于轴对称结构的破坏，使轴外像差增大，因而适用的视场只有20°～30°。

图12.6　天塞物镜

图12.7　海利亚物镜

图12.8　松纳物镜

双高斯物镜是一种具有对称结构型式的大孔径中等视场物镜，其成像质量较高，主要光学性能指标为相对孔径D/f＇=1/2～1/1.7，视场角2ω=40°～50°。典型的双高斯物镜如图12.9（a）所示（如海鸥DF135相机中使用的标准镜头）；双高斯物镜的演变型式很多，其失对称变形和复杂化的主要目的是为了校正轴上与轴外的轴向像差，改善成像质量，如图12.9（b）所示，或者是为了增大相对孔径，如图12.9（c）所示，在视场不大于45°的条件下，相对孔径可达1∶0.95。

图12.9　双高斯物镜

2）短焦（广角）镜头

短焦（广角）镜头指焦距短于1/2摄影画幅对角线的摄影物镜，也就是短焦距镜头。广角镜头根据视场的大小，又有广角与超广角镜头之分。一般将视场角为60°以上的照相物镜称为广角物镜，视场角90°以上的照相物镜称为超广角物镜。短焦镜头的特点是：焦距短、视场角大、拍摄景物范围广，可在有限距离范围内拍摄出全景或大场面的照片，并具有超比例地渲染近大、远小、夸张前景的作用。一些短焦（广角）镜头对畸变要求很高而对工作距离不作要求，因而采用对称型结构，例如，托普岗物镜和鲁沙物镜等类型。

托普岗物镜如图12.10（a）所示，是一种较早使用的广角物镜，视场角2ω可达90°，相对孔径为1∶6.5，曾用于大幅面的航空摄影测量中。它的复杂化目的是为了减小剩余畸变，如图12.10（b）所示；或增大相对孔径，如图12.10（c）所示，相对孔径可达1∶5.6。

图12.10　托普岗物镜

鲁沙广角物镜如图12.11所示，其光学性能指标可达视场角2ω=120°，相对孔径1∶8，主要用于航测相机；其复杂化目的，一是增大相对孔径，另外是更严格地校正畸变等像差，以获得更高的成像质量。如图12.11（b）所示，其相对孔径可达1∶5.6，但视场角减小为100°。

图12.11　鲁沙广角物镜

反远距照相物镜是另一种焦距较短而后截距很长的广角物镜。在照相系统中，由于照相物镜和感光器件之间因结构需要须放置分光元件或反光元件，因此希望物镜有较长的工作距。在短焦距的情况下，普通照相物镜的设计难以满足这一要求。例如，双高斯物镜的后工作距一般为焦距的0.5～0.7倍，而DF相机镜头要求有38.5mm的后截距。显然，若设计f＇= 38mm、2ω=63°的短焦距广角镜时，这一要求普通照相物镜难以满足。反远距摄影物镜的结构大多由一个负光焦度前组镜和一个正光焦度后组镜的分离结构组成，如图12.12。前、后组镜有多种结构型式，负光焦度的前组有从一个单片透镜到非常复杂的结构，而正光焦度的后组往往采用匹兹万型、三片型、双高斯型以及它们的复杂化结构。如图12.12（b）所示是反远距物镜最简单的结构。它们的工作距离与焦距相当，视场角为60°左右，而相对孔径为1∶3.5～1∶2.5。

图12.12　反远距物镜

3）长焦（望远）镜头

长焦距镜头包括中、长焦距镜头。其中，中焦距镜头焦距约为标准镜头焦距的两倍，长焦距镜头焦距则更长一些。其共同特点是：焦距长，视场角小，在底片上成像大，所以在同一距离上能拍得比标准镜头更大的影像。在照相机距被摄体较远，但却希望获得较大倍率图像的情况下（如航空侦察摄影），需要采用长焦距物镜。

长焦物镜由于焦距长，结构必然很大，为了缩短镜筒长度，常采用远距型结构或折反射式结构。其中，远距型物镜（又称摄远物镜）采取正负透镜组分离，正透镜在前、负透镜在后的形式，与反远距型式正好相反。由于其主面前移至物空间，因而筒长小于焦距，整个物镜的长度短于同焦距普通结构的物镜，如图12.13（a）所示。定义筒长与焦距之比L/f＇为远距比。远距比是远距物镜的重要指标，通常远距比小于1，并且越小越好。按照上述原理构成的远距物镜，像差校正的重点是校正二级光谱。其结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。远距型物镜的筒长结构一般可缩短1/3～1/8，其相对孔径与视场较小；图12.13（b）所示前组为三透镜结构的一种远距物镜，其f＇=200mm，相对孔径为1∶4，视场2ω=12.2°，L/f＇=0.85。

图12.13　远摄物镜

用于长焦距系统中的折反型照相物镜，可利用反射镜折叠光路、减小系统的二级光谱色差。在折反式照相物镜中，使用较多的是如图12.14所示的系统，系统前部校正透镜结构决定了其相对孔径，在距像面不远的会聚光路中，通常加入一组校正透镜，以校正系统轴外像差，增大系统的视场。

图12.14　折反型照相物镜