今天和大家谈谈变焦系统的相关知识，行文比较随意，希望对大家有帮助 当沿光轴移动一片透镜或者一组甚至几组镜片时，镜片的焦距发生变化，这就会发生几种情况，光学系统的像面位置会按照一定的规律变化，或者像面位置始终保持不变，后者就是我们所熟知的真正意义上的变焦系统，它分为机械变焦和光学变焦，基本原理如下图
机械补偿 光学补偿 机械补偿是运动组之间没有固定位置，需要保持相对移动，需要凸轮 光学补偿是运动组之间相对固定，不需要凸轮维持，运动一致就好，设计很巧妙，但是不能严格意义的保持像面稳定。 在有些应用中我们可以采用非传统意义上的变焦距，无需将像面稳定在同一位置，但是有些应用我们来不及使像面移动来达到一个很好的聚焦效果，所以就需要真正意义上的变焦系统，调节倍率的同时保持像面的稳定。 在前面文章中，我有介绍调焦的基本知识，当改变两组镜片的间距时，像面会发生移动，那么有两种方式可以实现这一点，一种是两组透镜整体移动来补偿像面的移动，还有另外一种方式就是通过移动尽量少的透镜把像面移动量补偿回来，当然我们比较倾向于后者。 在早起的变焦系统中，通常将孔径光阑放置在移动透镜的后面，这样可以用来控制相对孔径保持不变，然而随着镜头不断的进化以及自动曝光技术的发展，孔径光阑便可放在系统比较方便的位置。 在变焦系统中，分为改变倍率的变倍组和补偿像面位置的补偿组，其实这样定义只是用来分析变焦问题，在很多情况下，这两者没有明确的边界，比如变倍组也对补偿像面有贡献，补偿组也对变倍有贡献，所以我们掌握变焦的规律就好，其他的只是个名字而已，很多事物都是这个样子，为了认识它，必须要赋予定义，当掌握了事物的本质之后，会发现，其实不需要名字，或者取个别的什么名字也可以。 在设计变焦系统的时候，如何在所有的变焦位置上平衡像差是非常关键的问题。最好的解决方法就是每一组都校正好，优化的时候可以采用实体透镜和近轴透镜结合的方法来完成。其实在我看来，在像差设计的时候，要明确每组要承担什么样的任务，每组以什么样的数值和其他组进行匹配，一般情况少量像差匹配少量像差比较合理，系统也比较稳定。 理想情况下，希望移动量与焦距成线性关系，实际上不会是线性关系 最早的变焦系统是一个Petzval结构，两侧分别是负透镜，在1901年，美国人C.C.Allen专利中找到的如图所示
这个结构其实是上面讲到的光学变焦，像面并不是很稳，可能是由于当时的拍摄原理，对像面的稳定并没有要求那么的严格，这已经是很了不起的一步了，算得上是现代变焦的先驱，说实话，在我看到这个结构之前，在我的脑海中曾经闪现过它的影子。 1920年，Joseph B.Walker提出了一种结构，在具有正光焦度的镜头前加上口径比较大的负透镜，可以构造出一个焦距可变化的反远距系统，可以增加拍摄的视场，并且可以通过改变负透镜的远近来调节像的大小。 1931年，Helmut Naumannn开发了一些列的变焦距的镜头，早期的机械变焦已现雏形 后来就进化出了一个这样的结构，如图所示
这个结构，前后都是负组，中间是双高斯结构，也可以将光阑前面的结构理解为反远距结构，后面为摄远结构，运动形式如图所示，两个直线运动一个曲线运动，看起来很美。 1945年，Frank Back制造了第一个Zoomar结构，这是一个光学补偿结构。 图中sliding member和field lens这两个场镜部位是同步移动的，relay_lens移动补偿像面移动，我们不清楚在那个年代，他是如何分配每组透镜的光焦度以及每组的具体形式的。
今天讲到这里，下期讲讲变焦系统的形式。 |
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