相机镜头

背景

相机镜头是一项试图复制人眼操作的发明。就像眼睛一样，镜头看到图像，将其聚焦，然后将其颜色、清晰度和亮度通过相机传输到摄影胶片， 就像我们的记忆一样，它记录图像以供处理和将来使用。镜片由光学玻璃或塑料制成。它们通过折射或弯曲光线来聚焦光线，以便它们在公共点相遇或会聚。

一个简单的镜头可以很好地“看到”它的中心，但它在边缘周围的视野往往会模糊。物体周围的模糊、颜色变化、线条失真和色晕是由称为像差的镜头缺陷引起的。一些像差可以通过将一个或两个表面成形为非球面来在简单镜头中进行校正；非球面曲线像抛物线的曲线一样变化，而不是像球体的曲率一样保持不变。相机镜头通过用一组称为镜头元件的镜头代替简单的镜头来减少像差的影响，镜头元件是不同形状和分离距离的镜头。随着实现更大的视力矫正，镜片变得更加复杂。根据光圈的大小（允许光线通过的开口）以及它“看到”的角度范围，镜头也会变得更加复杂。镜片设计过去依赖于配镜师的艺术和大量实验。今天，计算机程序可以调整镜片的形状和间距，确定它们之间的相互影响，并评估镜片的生产成本。

透镜元件通常用它们的形状来描述。凸透镜向外弯曲；双凸透镜两侧向外弯曲，平凸透镜一侧平坦，另一侧向外弯曲。还有凹透镜、双凹透镜和平凹透镜。这些元素不一定是对称的，并且可以在一侧比另一侧弯曲得更多。相对于其边缘加厚透镜的中间会导致光线会聚或聚焦。厚边中薄的镜片使光线分散。一个复杂的相机镜头包含许多特别分组的元素。元素的组成、形状和分组的组合最大限度地提高了单个元素的光弯曲特性，以产生所需的图像。通过将镜头移近或远离胶片或焦平面来聚焦镜头。可以扭曲镜头，使镜头元件沿加工在镜头外壳中的螺旋螺纹进出。转动镜头还会移动外壳上的刻度，显示最佳焦点的距离。

光圈或光圈是镜头的特殊部分。在简单的相机中，光阑是一个固定光阑或一个永久设置在镜头前的黑色金属板环。箱式摄像机、演播室摄像机和一些欧洲制造的摄像机使用滑动挡块，这是一条金属条，可在镜头前部的凹槽之间滑动。它有两个或多个不同大小的孔洞。带有可变光圈的镜头在镜头座外侧有一个加工环，印有光圈数字。通过转动这个环，隔膜可以打开或关闭。这个虹膜隔膜的工作原理很像眼睛的虹膜，可以根据不同的光线条件进行调整。

紧凑型相机中的镜头通常是具有标准焦距的通用镜头，可以按照我们眼睛看到的方式拍摄图像。专为特殊用途设计的镜头可用于更先进的相机。长焦镜头的工作原理很像双筒望远镜或望远镜， 并使远处的图像看起来更近。广角镜头使图像显得更远；全景镜头是一种特殊的广角镜头，可用于拍摄广阔的风景。一些一次性相机配备了全景镜头。鱼眼镜头也是一种特殊的广角镜头，它故意扭曲图像，从而放大中央部分，压缩外部图像细节。鱼眼镜头覆盖非常广的角度，如地平线视图。另一种特殊用途的镜头是可变焦距镜头，也称为“变焦”镜头。它使用可移动的镜头元件来调整焦距以接近或远离拍摄对象。这些镜头很复杂，可能包含 12 到 20 个镜头元件；但是，一个可变焦镜头可以替换其他几个镜头。一些紧凑型相机的变焦、长焦或广角功能也有限。单镜头反光 (SLR) 相机的设计目的是让摄影师通过取景器看到与镜头相同的景色。这使摄影师能够利用各种可互换镜头的灵活性来规划将出现在胶片上的图像。

历史

照相机镜头由为其他用途开发的光学镜头演变而来，并随着照相机和照相胶片而成熟。 1568 年，威尼斯贵族丹尼尔·巴巴罗 (Daniel Barbaro) 将镜头放在相机盒的孔上，研究图像的清晰度和焦点。他的第一个镜片来自一位老人的凸面眼镜。天文学家约翰·开普勒在 1611 年通过描述单透镜和复合透镜、解释图像反转以及通过将凸透镜和凹透镜分组来放大图像，详细阐述了巴巴罗的实验。

在 1800 年代，第一台盒式相机的镜头安装在盒的开口中。镜头在盒子背面的感光板上反转图像。没有快门来打开镜头；取而代之的是，取下镜头盖几秒钟或更长时间以暴露板。改进版的灵敏度需要控制曝光的方法。制作了具有不同尺寸开口的面罩，以便在镜片附近插入。虹膜光圈也被开发用来控制光圈。它的金属叶片打开和关闭在一起，形成一个直径可以变化的圆形开口。

1841 年，维也纳的 Joseph Petzval 设计了一款光圈大的人像镜头。以前，为银版相机制造的镜头最适合风景摄影。 Petzval 的镜头使人像的拍摄速度提高了 10 倍，而且照片也不太可能模糊。 1902 年，保罗·鲁道夫 (Paul Rudolph) 开发了蔡司 Tessar 镜头，被认为是有史以来最受欢迎的镜头。 1918 年，他生产了 Plasmat 镜头，这可能是有史以来最好的相机镜头。紧随鲁道夫之后的是 Max Berek，他设计了锐利、快速的镜头，非常适合微型相机。

镜头历史上的其他重要发展包括镜头镀膜技术、稀土玻璃的使用以及计算机实现的计算方法。 Katharine B. Blodgett 于 1939 年开发了用肥皂膜薄涂层镜片的技术，以消除反射并改善透光率。 C. Hawley Cartwright 通过使用金属氟化物涂层继续 Blodgett 的工作，包括蒸发的镁和钙，其含量为百万分之四一英寸厚。

设计

相机镜头的设计首先要确定将使用它的摄影师。确定市场后，镜头设计师会选择光学和机械材料、光学设计、制造机械部件的适当方法，以及对于自动对焦镜头，镜头和相机之间的接口类型。不同类别的镜头（包括微距镜头、广角镜头和长焦镜头）都有约定或模式，因此某些设计方面是标准化的。材料的进步给设计师带来了许多挑战 一组称为镜头元件的镜头，它们的形状和分离距离不同，构成了相机镜头.镜片设计过去依赖于配镜师的艺术和大量实验。今天，计算机程序可以调整镜片的形状和间距，确定它们之间的相互影响，并评估镜片的生产成本。选项，但是。在选择材料时，工程师必须考虑用于组件的一系列金属以及用于镜头的各种类型的眼镜和塑料，同时还要注意摄影师的最终成本。

设计者完成设计后，通过计算机模拟测试其性能。特定于镜头制造商的计算机程序会告诉设计者镜头将在图像中心和镜头操作范围的边缘产生什么样的图像或图片。假设镜头通过了计算机模拟测试，则会再次审查最初选择的性能标准，以确认镜头满足确定的需求。制造原型以测试实际性能。镜头在不同温度和环境条件下、在每个光圈位置以及变焦镜头的每个焦距下进行测试。拍摄实验室中的目标图表，以及不同光影的现场条件。一些镜片在实验室测试中会迅速老化以检查其耐用性。

如果镜头自动对焦，则需要额外的设计工作，因为自动对焦 (AF) 模块必须与一系列相机机身配合使用。 AF 模块需要软件和机械设计。由于这些镜头的功能复杂，并且软件针对每个镜头进行了微调，因此对这些镜头进行了广泛的原型测试。

原材料

镜头本身的原材料、涂层、镜筒或相机镜头的外壳以及镜头卡口在下面的制造部分中进行了描述。

制造
过程

研磨和抛光镜片元件

• 1 光学玻璃由专业供应商提供给镜头制造商。通常，它以“压制板”或切片玻璃板的形式提供，从中切割元件。玻璃元件通过作为第一步研磨机的曲线发生器机器成形为凹形或凸形。为了达到其形状的规格，镜片要经过一系列过程，通过在水中抛光颗粒进行研磨。随着镜片的精制，抛光颗粒在每一步都变小。曲线生成和后续研磨的速度因光学材料的脆弱性、柔软度和氧化特性而异。

  研磨和抛光后，元件居中，使镜片的外边缘相对于镜片的中心线或光轴在圆周上是完美的。由塑料或粘合玻璃和树脂制成的镜片采用相同的工艺生产。粘合材料用于制造具有非球面表面的镜片，这些镜片被称为“混合非球面镜片”。这些透镜的非球面在定心过程中完成。

镀膜镜片

• 2 成型镜片经过涂层处理，可防止材料氧化、防止反射，并满足“设计光谱透射”或色彩平衡和再现的要求。在镀膜前仔细清洁镜片表面。镀膜技术和镀膜本身是制造商镜片的主要卖点，并且受到严密保护。一些类型的涂层包括金属氧化物、轻合金氟化物和石英层，这些涂层通过真空工艺应用于透镜和镜子。可以应用多层镀膜以获得最佳颜色和透光率，但过度镀膜会减少穿过镜片的光线并限制其使用。

生产枪管

• 3 镜筒包括支撑各种镜头元件和装饰外观的底座。镜头的金属安装座、凹槽和活动部分对镜头的性能至关重要，并按照非常特定的公差进行加工。镜头座可由黄铜、铝或塑料制成。大多数金属桶部件都是压铸和机加工的。金属支架使用寿命更长，尺寸保持不变，可以更精确地加工，并且可以在必要时拆卸以更换元件。塑料支架更便宜且重量更轻。如果机筒由工程塑料制成，则是通过高效精确的注塑方法生产的。枪管的内表面也涂有涂层以保护它们并防止内部反射和眩光。

组装镜头

• 4 镜头的其他部件，例如光圈和自动对焦模块，作为子组件生产。虹膜隔膜由从薄金属片上切下的弯曲叶片构成。金属叶片由两块板固定。一个板是固定的，另一个是移动的，并且有用于滑动销的槽。当光圈环转动时，这些叶片将叶片滑回枪管以打开隔膜或滑入中心以关闭开口。当镜头座连接到镜筒末端时，光圈组件就固定到位。还增加了自动对焦，定位了光学元件，并密封了镜头。最终组装后，镜头经过严格的调整和检查。它必须满足光学分辨率、机械功能和自动对焦响应的设计标准。还可以通过使镜片经受冲击、跌落和振动来测试镜片。

质量控制

镜片制造方法因公司而异。有些使用全自动化，包括工业机器人 s 制造他们的产品，其他人使用大型装配线，还有一些人以手工制作而自豪。然而，无论制造方法如何，质量和精度对于镜片生产都至关重要。传入的材料和组件经过严格的质量检查并符合工程规范。自动化流程也会不断地接受检查并接受公差检查。只有经过多年培训的熟练工匠才能进行手工艺。每个制造步骤都包含质量控制和压力测试，并使用精密仪器测量元件和组件。一些测量设备是激光控制的，可以检测透镜表面或透镜对中小于 0.0001 毫米的偏差。

未来

相机镜头在许多领域都得到了新的发展。消费者对以最低成本拍出最好照片的兴趣催生了带有简单但有效镜头的一次性相机。专业摄影师和特殊用途（如高性能双筒望远镜或望远镜）的镜头由异国情调和“非首选”眼镜制成，比传统材料更敏感、更昂贵且更难获得。这些被称为“异常色散”材料是因为它们融合了穿过镜头的光线中的所有颜色以产生最佳图像，而不是像简单的镜头一样让颜色分散。水和其他液体也会使光发生弯曲，科学家们已经确定了异常分散的液体，它们可以被困在普通玻璃层之间，从而产生与奇异光学玻璃相同的图像质量。普通或“首选”玻璃（首选因为低成本和可加工性）用柔性硅酮粘合剂粘合在液体周围。由此产生的“液体镜头”可能会取代专业品质镜头中的几个元素。它还减少了所需的涂层和所需的镜片抛光量，因为液体可以填充玻璃中的缺陷。降低透镜成本，提高透光性。美国、日本和欧洲的镜头制造商正准备在不久的将来生产液态镜头。