变焦镜头

真正的变焦镜头，也称为齐焦镜头，是在焦距变化时保持对焦的镜头。大多数消费级变焦镜头无法保持完美对焦，但仍采用齐焦设计。大多数标榜为具有光学变焦功能的照相手机实际上使用了几个不同但固定焦距的相机，并结合数码变焦形成了一个混合系统。

可变焦距的便利是以复杂性为代价的——以及在图像质量、重量、尺寸、光圈、自动对焦性能和成本方面的一些妥协。例如，所有变焦镜头在其xxx光圈处，尤其是在其焦距范围的极端处，都会遭受至少轻微（如果不是相当大）的图像分辨率损失。当以大格式或高分辨率显示时，这种效果在图像的角落很明显。变焦镜头提供的焦距范围越大，这些妥协就必须变得越夸张。

变焦镜头通常用最长焦距与最短焦距的比率来描述。例如，焦距范围从100mm到400mm的变焦镜头可以被描述为4:1或“4×”变焦。术语超变焦或超变焦用于描述具有非常大焦距因子的摄影变焦镜头，通常在单反相机镜头中超过5倍，最高可达19倍，在业余数码相机中为22倍。在专业电视摄像机镜头中，这个比率可以高达300倍。截至2009年，超过约3倍的摄影变焦镜头通常无法产生与定焦镜头相媲美的成像质量。恒定的快速光圈变焦（通常为f/2.8或f/2.0)通常限于此缩放范围。以低分辨率录制运动图像时，质量下降不太明显，这就是专业视频和电视镜头能够具有高变焦比的原因。高变焦比电视镜头很复杂，有几十个光学元件，重量通常超过25公斤（55磅）。数码摄影还可以在相机处理器和后期制作软件中提供补偿光学缺陷的算法。

有些摄影变焦镜头是长焦镜头，焦距比普通镜头长，有些是广角镜头（比普通镜头更宽），有些则涵盖了从广角到长焦的范围。后一组变焦镜头中的镜头，有时称为“普通”变焦镜头，已取代固定焦距镜头，成为许多当代相机上流行的单镜头选择。这些镜片上的标记通常是W和T用于“广角”和“长焦”。指定长焦是因为负发散镜头提供的较长焦距比整个镜头组件（负发散镜头充当“长焦组”）长。

一些数码相机允许裁剪和放大捕获的图像，以模拟更长焦距变焦镜头（更窄视角）的效果。这通常被称为数码变焦，并且产生的图像光学分辨率低于光学变焦。使用计算机上的数字图像处理软件对数字图像进行裁剪并放大裁剪区域，可以获得完全相同的效果。许多数码相机两者都有，首先使用光学变焦，然后使用数码变焦。

变焦和超变焦镜头通常用于静止、视频、电影摄影机、投影仪、一些双筒望远镜、显微镜、望远镜、望远镜瞄准器和其他光学仪器。此外，变焦镜头的无焦部分可用作变倍望远镜，制成可调扩束镜。例如，这可以用来改变激光束的大小，从而可以改变光束的辐照度。

变焦镜头有许多可能的设计，最复杂的设计有超过30个独立的镜头元件和多个移动部件。然而，大多数都遵循相同的基本设计。通常，它们由许多单独的镜片组成，这些镜片可以是固定的，也可以沿着镜片主体轴向滑动。当变焦镜头的放大倍率发生变化时，有必要补偿焦平面的任何移动以保持聚焦图像清晰。这种补偿可以通过机械方式（在镜头放大倍率发生变化时移动整个镜头组件）或光学方式（在镜头变焦时将焦平面的位置尽可能地变化）来完成。

变焦镜头的简单方案将组件分为两部分：一个类似于标准的固定焦距摄影镜头的聚焦镜头，前面是一个无焦变焦系统，一个固定和可移动镜头元件的排列，不聚焦光，但会改变穿过它的光束的大小，从而改变透镜系统的整体放大倍率。

无焦变焦系统中镜头的移动

在这个简单的光学补偿变焦镜头中，无焦系统由两个等焦距的正（会聚）镜头（镜头L1和L3）和它们之间的负（发散）镜头(L2)组成，具有xxx焦距不到正透镜的一半。透镜L3是固定的，但透镜L1和L2可以以特定的非线性关系轴向移动。这种移动通常由镜头外壳中的齿轮和凸轮的复杂布置来执行，尽管一些现代变焦镜头使用计算机控制的伺服系统来执行这种定位。

当负透镜L2从透镜的前部移动到透镜后部时，透镜L1以抛物线弧线向前然后向后移动。这样做时，系统的整体角度放大率会发生变化，从而改变整个变焦镜头的有效焦距。在所示的三个点中的每一个，三镜头系统都是无焦的（既不发散也不会聚光线），因此不会改变镜头焦平面的位置。在这些点之间，系统并非完全无焦，但焦平面位置的变化可能足够小（在精心设计的镜头中约为±0.01毫米），不会对图像的清晰度产生显着变化。

变焦镜头设计中的一个重要问题是在镜头的整个工作范围内校正光学像差（例如色差，尤其是场曲）；这在变焦镜头中比固定镜头要困难得多，后者只需要校正一个焦距的像差。这个问题是变焦镜头发展缓慢的一个主要原因，早期的设计远不如现代固定镜头，并且只能用于狭窄的f值范围。现代光学设计技术使变焦镜头的构造成为可能，并且在广泛可变的焦距和光圈上具有良好的像差校正。

电影摄影和视频应用中使用的镜头需要在焦距改变时保持对焦，而对于静态摄影和用作投影镜头的变焦镜头则没有这样的要求。由于很难构建一个不改变焦点且具有相同图像质量的镜头，因此后者的应用通常使用在焦距改变后需要重新聚焦的镜头（因此严格来说是变焦镜头，而不是变焦镜头）。由于大多数现代相机都是自动对焦的，这不是问题。

具有大变焦比的变焦镜头的设计者通常会牺牲一个或多个像差以获得更高的图像清晰度。例如，更大程度的桶形和枕形失真在从广角到远摄的焦距范围为10倍或以上的镜头中，比在固定焦距镜头或具有较低比率的变焦镜头中可接受的焦距范围内的镜头可以容忍。尽管现代设计方法一直在不断减少这个问题，但在这些大倍率镜头中，大于1%的桶形畸变很常见。另一个付出的代价是，在镜头的极端长焦设置下，当镜头聚焦在更近的物体上时，有效焦距会发生显着变化。当镜头从无限远聚焦到中等特写时，表观焦距可以减少一半以上。在较小程度上，这种效应也出现在固定焦距镜头中，这些镜头移动内部镜头元件，而不是整个镜头，以影响放大倍率的变化。

许多所谓的“变焦”镜头，特别是在固定镜头相机的情况下，实际上是变焦镜头，这让镜头设计者在光学设计权衡（焦距范围、xxx光圈、尺寸、重量、成本）方面具有更大的灵活性与真正的齐焦变焦相比，它是实用的，因为自动对焦，并且因为相机处理器可以移动镜头以补偿焦平面位置的变化，同时改变放大倍率（“变焦”），使得操作本质上与真正的齐焦变焦。