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第一章 综述 §1.1引言 变焦距物镜是焦距可在一定范围内连续改变而保持像面不动的光学系统。它能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，使用特别方便。而且在电影和电视拍摄的连续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大小连续改变，可以使观众产生一种由近及远或由远及近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的。目前变焦距物镜的应用日益广泛，开始主要用于电影和电视摄影，现在已逐步扩大到照相机和小型电影放映机上[2]。变焦距物镜的高斯光学是在满足像面稳定和满足焦距在一定范围内可变的条件下来确定变焦距物镜中各组元的焦距、间隔、移动量等参数的问题。高斯光学是变焦距物镜的基础，高斯光学参数的求解在变焦距物镜设计中至关重要，直接影响最后的成像质量。若要求全部范围内成像质量都要好，就需要在所有可能解中挑选出尽量少产生高级像差的解。这相当于在系统总长一定的条件下，挑选各组焦距尽可能长的解，使各组元无论对轴上还是轴外光线产生尽量小的偏角[13]。这也正是本课题研究的主要内容。 §1.2变焦距物镜的发展概况 早在1930年前后，电影放映镜头就有采用变焦距物镜的，当时为了避免凸轮加工制造误差引起的像面位移等缺陷，一般采用光学补偿法，但由于其成像质量较差，应用并不广泛。在1940年前后至1960年，机械补偿法变焦距物镜开始应用，这一时期的机械补偿法变焦距物镜镜片数目较少，变倍比较小，质量也较差，所以应用也不够普遍。相反，在四十年代末五十年代初，出现了真正意义上的光学补偿法的变焦距物镜，由于它的机械加工工艺比较简单，所以曾风靡一时。1960年以后，电子计算机在光学设计中较多的应用，并采用了高精度机床加工凸轮曲线等，使机床加工水平大大提高，光学补偿法的变焦物镜就愈来愈少了，取而代之的是较高质量的机械补偿法的变焦距物镜。1960年-1970年这一时期的机械补偿法变焦距物镜一般只有两个移动组元，但所用镜片数目比以往明显增加了，大大提高了镜头的像质，这个阶段的变焦镜头虽然变倍比不高，但在电影电视中开始广泛使用[8]。1970年以后，除了计算机自动设计技术的普及，以及多层镀膜技术的开发和使用外，还利用高精度数控技术加工变焦距物镜的复杂凸轮机构，并利用新型材料和非球面技术，不但大大改进了二移动组元变焦距物镜，还大力开发了多移动组元变焦距物镜，即通常所说的光学补偿法和机械补偿法相结合的变焦距物镜。在1980年，小西六公司展出了5组同时移动的F4-.6/28-135mm高倍广角变焦镜物镜样品，1983年正式出售，从而揭开了全动型高倍率镜头的序幕，这种镜头采用新的变焦和调焦方式，体积小，性能优越，质量较高。从变焦镜头的发展来看，人们为了解决二移动组元变倍比较小的问题，从1970年到现在，一直致力于开发多移动组元的变焦镜头，现在，由于大力开发了新材料和新技术，有的变焦镜头已赶上了定焦镜头的成像质量，但是变焦镜头与定焦镜头相比，在某些方面还存在着差距。例如，相对孔径不够大，体积不够小等。但我们相信，随着光学工业的发展，将会出现一批更新型，更高质量的变焦镜头。 §1.3变焦距物镜的分类及其特点 变焦距物镜根据其变焦补偿方式的不同大体上可分为机械补偿法变焦距物镜和光学补偿法变焦距物镜以及在这两种类型基础上发展起来的其他一些类型的变焦距物镜。下面，我们就针对不同类型的变焦距物镜做一下简单介绍。 机械补偿法变焦距物镜 机械补偿法变焦距物镜中最典型的是由四组透镜组成的，它们的名称和作用分别是[14]： ① 前固定组：它的作用是给系统提供一个固定的像，在近摄影时，也通过移动前固定组整体或它的一部分达到调焦的目的。 ② 变倍组：在变焦运动过程中，变倍组多作线性运动，担负着系统的变倍作用。 ③ 补偿组：当变倍组作线性或非线性运动时，补偿组通过一定的曲线轨迹运动以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面位移，使像面位置达到稳定，并且在运动过程中有时也对变倍作出贡献，特别是对于正组补偿系统。 ④ 后固定组：将补偿组的像转化为系统的最后实像，调整系统的合成焦距值，设置孔径光阑，保证在变焦运动中整个系统的相对孔径不变，补偿前三组透镜的像差。 机械补偿法变焦距物镜的变倍组一般是负透镜组，而补偿组可以是正透镜组也可以是负透镜组，前者称为正组补偿（图1-3-1），后者称为负组补偿（图1-3-2）。机械补偿变焦距物镜的变倍组和补偿组的合成共轭距，在变焦运动过程中是一个常量，理论上像点是没有漂移的，而且各组元分担职责比较明显，整体结构也比较简单。近年来，随着机械加工技术的发展，机械补偿系统中凸轮曲线的加工已不象过去那么困难，加工精度也越来越高，所以，目前此种类型变焦距物镜得到了广泛的应用。 图（1-3-1）正组补偿