一、变焦镜头的变焦原理是什么？ hW P$U
oQ{(7.e7)
1．什么是变焦镜头？ Tky\W%Ag
-U`]/
现代的变焦摄影镜头的焦距可以在它本身限定的最短和最大焦距之间任意调整（连续改变），因此，一个变焦镜头可顶多个定焦距镜头用。通过镜筒上变焦环的推拉左右旋转可改变焦距，其效果从取景器可以观察到，画面的景物由远拉近（由局部变为全景），之所以能观察到上述情形，是因为在变焦过程中引起视角变化所致。 82O#Fe q
0R z'#O32V
不同焦距范围的变焦镜头，对于改变景物的大小、虚实及透视关系将产生不同的影响。当变为长焦望远镜头时，适于拍摄体育项目或野生动物；变为中等焦距时相当于标准镜头；变为短焦距时则相当于广角镜头，可以增大视场角，能概括较宽的影像，如卧室，大的组合家俱和家庭成员都能同时进入画面；有的变焦镜头还有微距摄影装置，不用加任何附件，就可供特写用. sL[&y'+
)S]4
Kt_
2．变焦镜头的变焦原理是什么？ =$` EB
}\!&3^I
3．变焦镜头的发展过程如何？ ZaIlo5
c!{v/zOz
人们对变焦镜头的一般原理，在几十年前就研究过了，只是因为变焦镜头在设计和制造上存在着当时还不能解决的科学和技术上的问题。 ?ey!wcv~
&-mPj82R
近四十多年来，由于电子计算机在光学设计上的应用，光学多层介质膜用于增透光的技术的成功及精密机械加工的进步等，才使变焦镜头的生产得以实现。目前已有多种性能良好的变焦镜头，广泛用于电视与电影摄像、望远摄影（如人造卫星）和显微摄影等技术领域，及导弹实验、追迹观察、火箭记录等方面。变焦镜头为适应不同的实际要求可分为不同的类型（包括望远摄影镜头和显微摄影镜头）。摄影镜头由各种定焦摄影镜头扩展到变焦距，是近四十多年来光学上的一个重要成就，也是在模拟人眼方面的一个进步，它显示着现代光学的发展趋势。 3C =ON.1eg
0p YO-@E
对于定焦距摄影镜头，要获得在像面上不同放大率的像，根据原则。但有时这个原则是难以实现的，如拍摄野生动物活动情况，记录一场球赛和军事演习等。 :OT~xU==H
6nRXRO
早些时候常采用折衷的办法，即一个照相机（或摄像机），不断更换不同焦距的镜头来解决不同放大率像的拍摄，但在换镜头的过程中很可能漏拍精彩的画面，何况定焦距镜头也只有有数的几种，远远满足不了摄影实践的需要。变焦距摄影镜头正是在摄影实践的需要中产生和发展的。 .KSP r
kC"lO'
二、变焦距镜头主要构造有几部分？ -rb]<FrL ^
>AX&PMb`
变焦镜头是通过改变透镜组之间间隔改变整个镜头焦距的。在移动透镜组改变焦距时，像面的位置总要有所移动。因此对像面移动必须加以补偿，否者胶片上将得不到清晰的像。补偿的方法主要有机械补偿法和光学补偿法。 ;'CWAJK
e@}zp
1.机械补偿变焦镜头主要结构如何？ p~1!O ]qLt
C]59@z;+bN
图4-48(a)与(b)所示的示意图：透镜1称为前固定组，2称为变倍组，3称为补偿组，l、2、3三组构成变焦镜头的“变焦部分”；4称为后固定组。图中变倍组2由左向右作线性移动时，焦距由短变长，同时像面也发生移动，用补偿组3作相应的少量非线性移动，以达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的效果。2与3的位置必须是一一对应的，因而两个透镜组的移动必须用一组复杂的凸轮机构来控制。 yqi=9NB
2Z!%Q}D o
2．机械补偿可分几种？ J{<,V\t)
mltG4R
?
机械补偿可分为正组补偿变焦镜头和负组补偿变焦镜头两种。机械补偿变焦镜头的变倍组通常都是负透镜组。补偿组有取正透镜组的，如图4-48(a)所示，叫做正组补偿变焦镜头；补偿组也有取负透镜组的变焦镜头，称为负组补偿变焦镜头，如图4-48(b)所示。 ,Wtod|vx\U
(\S/
3．什么叫物像交换原则？
;j|T#-.
1#9qP~#]'{
无论是正组补偿还是负组补偿，都可分为物像交换原则或非物像交换原则两类。前者应用得最多。当变焦镜头焦距改变时，同时要求像面不动，利用“物像交换原则”可以满足上述要求。 Xk8+
MY1s
如图4-49所示，P是物点，P′是像点，物像间的共轭距离为D，O为一凸透镜，用实验（或理论）可以证明，当O沿PP′移动到两个特定位置时，位于P′处的光屏可分别接收到缩小与放大的实像（在d=位置互换上述规律仍然成立。如果O是负透镜，上述关系也依然成立。变焦镜头中的变倍组透镜的两个共轭点（物点与像点）都是实点或都是虚点，则总可以找到透镜的两个不同位置，其共轭距离（物点到像点）的距离彼此相等，而垂轴放大率β互为倒数。这种物像关系称为物像交换原则，物像交换原则的特点是补偿组在最短焦距与最长焦距时在同一位置，所以它对总焦距的影响是一样的。图中的P可看为变焦镜头的调焦组（前固定组）对某一调焦位置所成的像，在调焦距离确定的前提下，P的位置是一定的；O可以看做是变倍组，其位置变化范围限定在满足物像交换原则的区间内，它在两个特定位置时像面都位于P′，但当它在其它位置时，像面位置都不在P′。这时可以通过补偿组再成一次像，且令这个像必须位于P′处，这就要求变焦组与补偿组的运动服从一定的规律，它们的位置必须严格一一对应。然后此像再通过后固定组成像于变焦照相机的底片上。后固定组是变焦镜头的起主要成像作用的光组，同时它也能补偿前边光组的剩余像差。 NZ`Mq
gB BS}HF
4．光学补偿分几种？ cK6M8:KW
iU]py
光学补偿变焦距镜头是用其中几组透镜作变倍组和补偿组的。变倍组的各个透镜用机械方法连在一起作同方向等速线性运动。光学补偿法可分为正组在前和负组在前两种方法，是以变焦组中第一透镜组是正组还是负组来区分。同时它也可以根据变焦部分有几个透镜组分为：三透镜系统、四透镜系统、五透镜系统等。三透镜系统和四透镜系统用的较多。图4-50(a)所示为正组在前的三透镜系统光学补偿法示意图；图(b)所示为负组变焦正组补偿四透镜系统示意图。光学补偿变焦镜头的变倍组与补偿组也是通过简单的机械方法联在一起的，使两者保持同步运动。此种镜头易于加工装配；但设计困难，易存在较大的像面漂移，目前还较少采用。变焦距镜头又分无级（连续）变焦型和分挡变焦型两类。按变焦环操作方式又分为转环式和推拉式两类。 yyCx;
9U$n;uA
三、怎样用近轴光学理论说明变焦过程？ DG1C_hu
i
j[2?} ?
1．怎样画变焦镜头光路图？ l8rBp87Q
/|v:$iH,C
机械补偿（负组变焦、负组补偿）变焦镜头光路原理图如图4-51所示，图中各光组都以薄透镜表示，实际中各光组都是复杂的光学系统。 WB~
^R<g
0].* eM
①变倍组与补偿组在初始位置（图中以实线表示）时的光路：前固定组（调焦组）1对无限远调焦（物点位于主光轴无限远处），经过光 I`"B<=zi
2O}UVp>
②变倍组与补偿组于虚线所示的位置时的光路：为了改变变焦镜头的焦距需要改变变倍组的位置，对一定的调焦距而言，由于1的位置及 rN* , U\q
$#E? `At{I
2．焦距的变化跟什么因素有关？ $!F_K
rBG8.E36J
与3由实线位置向虚线位置移动过程中，变焦镜头的焦距f′与两光组放大率之积成正比，所以f′在逐渐增大。3.怎样求变倍组与补偿组的位移量？求两个光组的位移量的问题，实际就是列方程与解方程的问题，我们只从原则上说明如下几点。 H]>b< Cs
2\
3}y(
①由图4-51，求出光组2向P′1移动一个距离ζ时，为保证像面不动，则光组3应随之作一位移η时的两个光组的物距与像距；焦物距与焦像距。 g!%C_AI
5 7W4E{A
②图中标的量都是几何量（按符号法则），但代入公式时要用代数量； MHZ! noAr
NgH"jg-
③设 ma9VI5 w
Ewg5s?2 |
x′—f′=S′，x+f=S t<'-?B2g
O+D"7
根据以上基本知识，按照近轴光学理论公式（高斯公式和牛顿公式）： aDr 46TB`J
T 9lk&7W
4.什么叫变倍比？ G;r-f63N
7/^` y')
①什么叫变倍比？ )<W6cDx'H+
NY]`1yy
变焦镜头的最长焦距值与最短焦距值的比称为该变焦镜头的变倍比或叫变焦倍率，简称变倍率。变焦距摄影镜头还常用其变焦倍数表示。例如法国产昂热尼厄10×25型变焦距电影摄影镜头，25mm表示其最短焦距，10表示最长焦距为最短焦距的10倍即250mm。 CYlZ< W'
5G-)>
②对变焦镜头的使用要求是什么？ GWP;; x%
-8 F~Tffx
对变焦镜头在性能方面要求是高变倍比、大相对孔径、大视场、对不同距离进行调焦；在结构方面要求是体积小，重量轻；在像质方面要求是力求达到定焦距镜头的成像质量。显然这些要求是互相矛盾的，同时都满足那是不可能的。因此，只有根据不同的实际要求来权衡利弊，故有不同变倍比与变焦范围的变焦镜头。 n- cEa/g
i^hgs`hvU
③变焦范围分几种情况？ \g|u|Y.2[
8'c_&\kdv
变焦镜头的变焦范围有的从短焦距变到中长焦距；有的从标准焦距变到中长焦距或长焦距；也有的从长焦变到更长焦距；有的变焦距镜头具有光学微距摄影功能，但此类镜头的微距档一般在较小范围下才可获得较好的效果，其放大率一般为1：4左右。 - 26GOS_8z
yj]\%3o<Z7
目前照相用变焦距镜头，以变倍率不超过三倍者为最佳。电影摄影用的高倍比的摄影镜头，如5×、6×、10×等，其结构都是很笨重的。 "b6ZAgxv
7vBB <\
四、变焦照相机的主要构造如何？ +;nADl+Q
jU
K0?S>
图4-53为CANONEF－M手动对焦自动曝光照相机实物图，采用两种转盘，可进行所有操作。 40VdT|n$$
9r@T"$V#c
相机顶部配备两个大型转盘如图4-54所示，一个控制快门速度，另一个控制光圈，每个转盘还能分别进行“A”（自动）设定，而光圈转盘则有一个“L”设定来切断相机电源，另外还有“ISO”设定功能，以便手动操作软片感光速度。 E2f9J{ Ki=
]A*v\Qy
这两个转盘能提供4种摄影模式如图4-55所示。(a)为将两个盘都设定于“A”，就可收到程式自动曝光效果，相机就能自动选择快门速度和光圈；(b)所示的两种情况是将其中一个转盘解除“A”设定，就可切换到“快门先决式自动曝光”模式——让你选择快门速度，而由相机自动设定正确曝光所需的光圈；或“光圈先决式自动曝光”模式——让你选择光圈数值，而由相机自动选择恰当的快门速度；(c)所示为两个转盘，都解除“A”设定，相机就变成完全“手动”控制，这种相机还有3种镜后测准模式和机动软片输送功能。 Iz; hje4JL
xv!
Q O
图4-56所示为此种相机的结构图。图4-57所示为此种相机适用的各种镜头，有定焦距镜头（标准镜头，远摄镜头，广角镜头等），不同规格的变焦镜头，其焦距范围大约在35mm～80mm之间。图4-58所示为取景器显示的全部资讯图：凡需要知道的相机设定都可在取景器液晶显示屏上找到。它显示快门速度和曝光所选的光圈数值，并指示是否正在使用自动曝光锁功能。显示器还示出曝光补偿程度（±2级）。当自动软片速度被否决时，它还会自动切换到ISO显示。在“手动”摄影模式下，有三种标记来表示不足、过度或正确曝光。另外还有闪光充电信号和电池查核信号。 [3":7bB 'E
K%TlB K V
五、变焦镜头的主要构造如何？ "] ,amJ
+bnz%/v
变焦镜头的牌号很多，但主要构造都有许多共同点。以图丽80mm～200mm，F4．5变焦镜头为例。图4-59中(a)所示为调焦组（前固定组）及其相连接的调焦环与标字环。变焦镜头一般采用内调焦方式；图(b)为变焦组（变焦前组）、补偿组（变焦后组）及其相连接的调焦前环、变焦控制环、调焦后环等部分的图示；图(c)所示各部分，一方面可以与变倍组和补偿组联接，另一方面可以控制它们；图（d）所示为后镜组等部分。 wr\d5j
TRQX#))B
六、变焦镜头的光学结构如何？ nr /^HjMV
71G Lqn?
变焦镜头的光学结构都比较复杂，由下面几个实例可以看出。 g2
dvs
? cQ
例一：图4-60所示为35mm小型照相机的变焦镜头的光学结构图，变焦范围为36～82mm，相对孔径可达l：2.8。 4qw &G
r{~K8!=oU]
例二：图4-61所示为英国泰勒·哈勃森公司生产的柯克5倍变焦距35毫米电影摄影镜头的光学结构图，此镜头变焦范围为20～100mm，光图调节范围为f/2.8～f/22（T3.1～T22），调焦距离为0.7米～∞，对角线视场角为70°～16°，水平视场角为58°～12°，最大像场直径为27.2mm，后顶焦距为54.3mm，镜头总长（自像平面开始）370mm，最大直径（前端）为145mm，重4公斤。在最大焦距和最近调焦距离处能被拍摄下的物体宽度为89mm。柯克5倍变焦距镜头采用14组21片式的光学结构。图中所示为在20mm焦距，且对无限远调焦距光路图。图中1为调焦组，2为变焦（变倍）组，3为补偿组，4为后固定组，调焦组前还有一前固定组，或者将两者总体看为前固定组。 kzs}U'U
B@w Q [
例三：图4-62所示为法国昂热尼厄公司生产的昂热尼厄10×25T2型10倍35毫米电影变焦摄影镜头的光学结构图，其变焦范围为25～250mm，最大相对孔径为1∶3.2（T3.9），最近调焦距离为1.7m，该镜头由11组14片透镜组成。图中1为调焦组，2为变倍组，3为补偿组，4为后固定组。目前，变焦距摄影镜头正向进一步改善成像质量、大相对孔径、大变倍率、小型化、较短的最近调焦距离、有微距装置、短焦距等方向发展。
