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[书籍类资料] (一)广角镜头的发展,基本类型及应用等

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    [LV.6]常住居民II

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    发表于 2019-6-10 16:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
    光学镜头的视场角指镜头能够观测到的最大范围的夹角。在传统的摄影领域,定焦镜头分为长焦镜头(视场角20度以内),标准镜头(视场角30度左右),广角镜头等(一般视场角75度以上,含超广角镜头以及鱼眼镜头),广角镜头由于视场角较大,所以焦距一般较小。
    1
    广角镜头的画面造型具有很多独特的特点,第一,视场角宽。广角镜头的视场角比普通照相镜头大很多。第二,景深较大。在一个比较大的空间范围内可以拍摄到清晰的像。景深是一种受光圈、物距和镜头焦距三个因素的影响的概念。第三,不仅画面的空间远近距离的景物可以得到完美重现以外,而且能够拍摄到的景物的范围要比一般镜头大很多。第四,广角镜头一般都有畸变。通常这种畸变难以校正,因此广角镜头进行拍摄时图像变形都很严重。如果需要使摄制的像与物一致,就需要采用特殊的措施。
    广角镜头的发展
    1930年由莱茨公司进行设计并且投入生产的35mmf/3.5的爱尔玛镜头是最早的135相机上的可交换广角镜头,这款镜头的结构是四片三组式。这款镜头就是当时有名的“抓拍用的”爱尔玛(“Snapshot"Elmar),被很多人士所青睐。莱茨公司在1935年的时候,开始进行设计,并且生产了海克托广角镜头,这款镜头的结构是视场角76度的28mmf/6.3的五片三组式结构。而蔡斯公司(加盟135测距相机的公司)出了一款天塞广角镜头,这款镜头的结构是四片三组式镜头,是几乎在同一时期推出的。
    由于广角镜头本身有着很大的畸变,还有当时科技的种种制约,早期生产的135相机上的这些广角镜头的畸变以及色差校正的都不是很理想,以至于成像质量也不高,而且价格又是比较昂贵的,所以还不能被认可。然而随着技术的不断进步,西德蔡斯公司在1951年设计出一款21mmf/4.5的超广角镜头,这款镜头是专门为康泰克斯平视测距相机而设计的,这款镜头为135相机超广角镜头开创了一个新的篇章,它的成像质量在今天看来仍然是比较好的。当时的广角镜头就吸引了很多的摄影艺术家以及摄影爱好者,因为它不仅具有广阔的视场角,而且还有较大的景深以及夸张的变形等特点,当时人们用广角镜头进行了很多艺术创作。
    50年代起,日本光学公司(即现在的尼康公司)在广角镜头特别是超广角镜头,鱼眼镜头的开发研制做了大量的技术方面的努力。60年代至70年代末,由于镜头生产厂商采用了新型发散能力很大的负透镜等改进设计的一系列光学结构,十分明显的增大了轴外光束的入射孔径,改善了像场边缘照度,像场边缘不会再明显出现“暗角”现象。
    到了80年代,工业上非球面镜头的制造技术和低色散镜片的制造技术已经比较成熟,并且已经能够大规模生产了,所以不仅已经很好的校正了广角镜头和超广角镜头的畸变像差,而且进一步提高了边缘照度。90年代以来,佳能公司研制生产了AFl35单反相机使用的TS-E24mmf/3.5透视调整镜头。从美国的弗兰克在1958年设计出的大口径变焦镜头,即世界第一支可供实用的镜头的开始一直到现在,经过多年的技术进步,它的性能有了较大的变化。时至今日,广角镜头的应用越来越广,并且已经得到了普遍的应用。目前看来,不管是定焦广角镜头还是变焦广角镜头,种类多种多样,应有尽有。
    广角镜头的分类
      按视场角的大小,可分为广角镜头,超广角镜头以及鱼眼镜头。
      按工作波段,可分为紫外广角镜头,可见光广角镜头以及红外广角镜头。
      按镜头焦距分类,可分为定焦广角镜头以及变焦广角镜头。
    广角镜头的典型结构
    视场角大于90度的摄影物镜属于超广角物镜,常用于航空测量工作中。该种物镜的结构型式基本属于对称型。早期的超广角物镜是海普岗物镜,由两块弯曲得很厉害的弯月形正透镜组成,如图2所示。尽管视场可达130度,但因不能校正球差和色差,相对孔径仅为130115,是其他超广角物镜的基础结构。
    图2 海普岗物镜
    在海普岗物镜的基础上校正球差,可以得到托普岗物镜,如图3所示。为了校正球差,负透镜必须极度弯曲,接近与光阑同心,使视场可达100度,相对孔径比海普岗物镜有很大提高,但因消球差后负透镜半径很小,相对孔径只能在1/6.3以下。它的畸变校正也不理想,不能作精密测量之用。
    3 托普岗物镜
    前苏联学者设计了一种负正负对称型超广角物镜,称鲁沙尔25型物镜,如图4所示,相对孔径为1/6.3,视场角为122度,带畸变仅为0.03%。
    4 鲁沙尔25型物镜
    瑞士在60年代推出了一种称为阿维岗物镜的超广角物镜,结构型式有图5和图6所示的两种,前者焦距152mm,视场90度,后者焦距88mm,视场120度。两者不仅畸变很小,且轴外宽光束像差也校正得十分完善,相对孔径达1/5.6。
    5 阿维岗物镜
    6 阿维岗物镜
    反远距型结构由前组(负透镜组)和后组(正透镜组)组成,两组相隔一定距离,如图7所示。负透镜组承担较大的视场,正透镜组承担较大的相对孔径。具有短焦距、大视场和长的后截距的特点。
    7 反远距型物镜
    鱼眼镜头是超广角物镜的一种极端情况,视场角可达180度甚至更大,实现半球成像甚至超半球成像。这种镜头由于半视场角接近90度,已经不可能按公式y=-ftanW计算像方线视场,所以必然会有很大的畸变,以使大视场成像仍能落在有效像面上。大视场带来很大的轴外像差,使得这种镜头的结构也比较复杂。图8是一种视场角达200度的鱼眼镜头结构。
    8 鱼眼镜头
    广角物镜的一个重要问题是视场边缘照度的显著降低,在不计及轴外光束的渐晕时,就为视场中心照度的cos4W′。反远距型广角物镜可做到W′<W,照度的降低还不显著。而对称型超广角物镜的W′≈W,对于理想情况,当2W=120度时视场边缘的照度仅为中心照度的1/16,将使底片感光严重不均,是不能允许的。解决的方法之一是在物镜前加一透过率不均的中性滤光保护玻璃,以抑制视场中心的照度;二是利用光阑慧差,使轴外光束比轴上光束具有更大截面的像差渐晕,也可二种方法兼用。
    广角镜头的应用领域及发展趋势
    广角镜头由于其大视场的特点,目前已广泛应用于摄影、投影、安防监控、车载等各个领域。随着行业的发展和加工技术的进步,人们对镜头也在不断地提出新的要求。从目前发展形势来看,广角镜头向着大视场、大相对孔径(小F数)、高分辨率、小型化的方向发展。大视场、大相对孔径、高分辨率要求导致像差校正比较困难,为了校正像差,必然导致镜头结构非常复杂。为了减小镜头尺寸,引入非球面、衍射元件等新技术是一个非常有效的方法。另外,大视场镜头通常有很大的畸变,这在一些应用场景中是不被允许的,采用非球面等可以有效地减小畸变。在一些特殊应用场景(如监控应用)中,还要求更大的变倍比(针对变焦镜头)、多光谱(日夜两用)等要求。
    参考资料:
    1.李晓彤等.几何光学 像差 光学设计[M].浙江大学出版社
    2.肖颖.小畸变广角镜头的研究[D]
    3.李光辉.日夜两用CCTV广角变焦镜头设计[D]
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