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大家好
本节课我们将从镜头设计
和机身控制两个方面
给大家介绍一下单反相机
变焦和对焦的技术原理
首先我们来回顾一下透镜组的概念
例如图中两个不同焦距的凸透镜
进行组合
可以等效为一个理想光学系统
左侧的平行光将会聚在右侧的焦点F'上
右侧的平行光则会会聚在
左侧的焦点F上
通过这两个焦点
和两个主面H和H'
就可以唯一地定义这个透镜组
它的等效焦距为f
如果更多的镜片组合起来
也可以使用这种方法进行等效分析
使用主面
焦点和焦距来进行定义
透镜组通常由很多镜片组成
改变这些镜片的相对位置
就可以实现变焦和对焦的功能
我们首先来看一些
典型的变焦设计方法
如左图所示
四个镜片组成的光组
物方的水平平行光
将会会聚在像方焦点F'上
其等效焦距为f1
四个镜片的中间两个是用于变焦的
其中1号是变倍组
其主要功能就是
改变四个镜片的等效焦距
当1号透镜移动时
焦点的位置
可能也会偏离原来的像面
因此还需要移动2号补偿组
对焦点位置进行调节
使改变系统焦距的同时
保证焦点的位置仍然在原来的像面上
这个调节过程可以如下图所示
变倍组是线性移动的
而补偿组则需要
非线性移动来补偿焦点位置
调节完成后焦距就变成了f2
同时原来的像面上
还可以保证清晰的成像
这个动画就是在Zemax中
仿真一种镜头的变焦设计
通过变倍组和补偿组的移动
可以调节视场角
而且在像面位置不动的情况下
保证调节过程中
始终能够清晰成像
这个调节过程其实就是
在保证焦点不动的情况下
移动其主面的位置
在现在比较流行的
单反变焦镜头设计中
为了保证全焦段的成像质量
可能会有更多组的镜片参与移动
例如18-55mm的镜头设计中
所有的镜片
其实都会相对传感器进行移动
而像在18-200这种
大变焦比的镜头设计中
也会设计多种不同功能的镜片
参与变焦调节
使其获得更好的像差控制水平
和变焦调节相比
镜头的对焦其实要更加简单一些
前面已经介绍
对焦其实是需要改变透镜组
和传感器之间的距离
因此最简单的对焦方法
是整体移动镜头或者传感器
但是在现在的镜头设计中
为了简化对焦过程
都是采用第三种的对焦方式
只移动部分镜组来实现对焦
即所谓的内对焦
以右图的镜头设计为例
透镜前组分别有一块
凸透镜和凹透镜
后组的设计可以用
一个理想光学系统来表示
来自无穷远物体的平行光入射
将会会聚到焦点F'上
如果物面发生了移动
轴上点入射的平行光就会变成发散光
无法在焦点上进行会聚了
此时只需要前后移动第二块调焦镜组
就可以使光束重新聚焦在像面上
如图中橙色的光线所示
现在大部分的镜头都是
采用这种部分镜组移动的对焦设计
当然对焦镜组的位置
也可以根据镜头的整体设计方案
放在不同的地方
既可以放在后组
也可以放在内部或者前组
通过移动对焦镜组
可以将物面从无穷远处
调节到离相机很近的位置
微距镜头往往需要获得
和焦距差不多大小的对焦距离
以实现很大的放大倍率
在拍照过程中
镜头的变焦一般是
通过手动旋转变焦环来实现的
而数码相机在进行对焦时往往需要
机身进行自动控制
在摄影师选择了对焦点之后
相机需要自动判断成像是否清晰
由机身发出信号
驱动镜头进行自动对焦调节
我们这里再介绍两种相机进行
自动对焦控制的方法
反差对焦和相位对焦
反差对焦的原理比较简单
相机在取景过程中
获得实时的成像图像
通过对焦点上的图像分析
可以获得图像的反差值和对比度
通过反馈调节镜头的对焦系统
可以使图像的对比度调节到最大
此时就对应了最佳的成像效果
另一种对焦方法是相位对焦
以尼康的对焦系统为例
单反相机的反光板
并不是完全不透光的
而是会有一定的透射率
在反光板后面会增加一个副反光板
取景时光线可以穿过主反光板
经过副反光板反射到对焦传感器上
如图中的8和9所示
左图则是
副反光板和对焦传感器的实物图
相位对焦传感器的工作原理
如右图所示
它是由微透镜和光线传感单元组成
左侧绿线是理想的像面位置
当镜头成像在理想像面上时
两个微透镜会聚的光束
将在光线传感单元上
产生两条标准位置的测量信号线
如果实际的聚焦位置比理想位置更靠后
这两条测量信号线会相互远离
如果实际聚焦位置比理想位置更靠前
这两条信号线则会相互靠近
通过测量
这两条信号线相对于标准位置的变化
就可以判断离焦的方向
从而进行反馈调节
比较一下反差对焦和相位对焦两种方法
反差对焦的结构比较简单
只需要进行图像处理就可以实现
但它往往需要多次往返调节
才能找到最佳的对焦位置
智能手机上的相机
一般都是采用这种对焦方式
而相位对焦的传感器相对比较复杂
但是它的调节方向是可以确定的
能够实现更加快速的对焦
本节我们介绍了
单反相机在变焦和对焦调节中
所用到的基本光学原理和控制技术
在市面上的镜头和
机身设计中都会有所应用
虽然我们在实际使用相机时
并不需要了解这些技术上的细节
但是相机作为一种常见的光学仪器
它所体现的设计方法和技术手段
也可以在其他的光学应用中得以借鉴
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
