鏡頭焦距的調整和焦點調整過程中鏡片組的移動是怎麼樣的？原理是什麼

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首先在問這個問題以前我是查過的，但是可能是技藝不精沒百度到什麼有用的乾貨，所以我真的不是在把知乎當百度用T.T
下面正題：

自己用的18-55鏡頭在廣角端鏡筒是伸出狀態，然後到24mm的樣子鏡筒收縮到最短，到了長焦端，鏡筒又是完全伸出狀態，很好奇這裡面鏡片組是怎麼運動的？為什麼以前用的小DC和長焦相機鏡頭筒就是隨著焦距變遠而呈線性正相關的邊長的？
其實這個問題困擾了我很久，之前看《紐攝》也只講了效果而沒有講解原理。到底鏡片組是如何移動使得到達成像平面的畫面變大了？（多組鏡片情況下）

然後算是問題二吧。《紐攝》里說前後移動鏡頭筒可以控制聚焦，為什麼此處也是移動鏡片組，改變的卻不是焦距而是景深平面？這又是如何做到的？（為什麼鏡片組移動了焦距居然沒變，而焦平面變了？）
在聚焦的時候建議是先在長焦端聚焦在調至合適的焦距，在這個過程中焦平面不會改變嗎？

可能對專業人士來說這兩個問題很簡單，但是困擾了我很久。望不吝賜教。謝謝了~
不說具體原理的話推薦相關的書籍也行~、
自己看攝影方面的書也深深覺得坑太深了。很多書都是講廢話，講結果不講過程講效果不講原理的。希望能推薦一兩本又用幹活多的書籍~
再謝。
(×?×)

本文的回答，全部基於R.Kingslake的《A History of the Photographic Lens》，這是本乾貨很多的書而且基本不談光學公式。當然錯誤之處也有，無傷大雅的幾個小地方，比如T.T.H. Cooke的歷史部分就有小失誤，但鏡頭歷史本身沒啥問題。

扯遠了。

1、當一個鏡頭的焦距能夠連續變化的時候，它就被稱為Vaifocal Lens，根據：
1/物距+1/像距=1/焦距的公式，
如果拍攝距離不變，那麼像距就會從原本的焦平面移動到另外的位置，此時就需要重新對焦。
而當這個鏡頭利用光學的（1）或者機械（2）方法，讓焦點的位置不隨焦距變化而變化，持續保持落在焦平面上時，就稱為Zoom Lens，也就是我們現在廣泛所指的「變焦鏡頭」。

2、嚴格來說，早期民用變焦鏡頭只是在拍攝較遠物體時才算真正的Zoom鏡頭，在拍攝近距離物體時焦點依然會變化。而現代自動鏡頭其實不太有所謂，因為能自動對焦，甚至實時追焦，所以也沒有必要追求100%的Zoom。

3、那麼如何實現Zoom？
Zoom鏡頭有兩種基礎形式。
下圖是形式（一）
（一）雙組變焦鏡頭

（圖1）
+表示凸透鏡，-表示凹透鏡。通過改變兩組之間的距離，實現連續變化的焦距。
上是望遠結構的變焦鏡頭，後組移動是線性的，前組是一條漸進線
下是反望遠結構的變焦鏡頭，前組是非線性的，後組依然是線性的。
非線性的原因就是為了始終保持焦點落在底片上。

實例有這個：

（圖2）
這是兩組式變焦鏡頭，文青摯愛的Pentax 變焦鏡頭專利。

當然，由於正負相抵，所以實際變焦倍率並不是很大，但為了保持焦點固定，沒辦法嘛。單獨用一組的話自然變焦能力強得多，就是又回到焦點移動的問題上來了…

另外，對於單反相機而言，在廣角變焦的問題上，反望遠結構是不二選擇。也就是圖1中下面那個）型曲線。雖然不表示所有兩組式變焦鏡頭都有這麼誇張的曲線（誇張是為了看的明顯！），但
至少部分回答了題主的第一個問題：
為什麼變焦的時候縮進又伸出，因為就是這麼設計的。不這麼移動無法保證焦點固定。就算對於自動對焦鏡頭，焦點「變化不大」也好過「焦點飄忽」，好歹也能節省對焦行程呢。
至於兩組式以外的變焦鏡頭，下面會說到

（二）基於Donders理論的變焦鏡頭，簡單來說就是兩端固定，中間移動。

（圖3）
這是F.C. Donders提出的，所以叫這個名字。
注意這整個鏡組是Afocal的，即沒有匯聚能力（平行光進，平行光出），但有放大能力，在中間鏡小幅度移動的前提下是基本上/實質上視為afocal的。
你可能會說，不是說兩端固定嗎？！所以我說了小幅移動啊，在中間鏡大幅移動的情況下，需要移動前鏡進行補償，保證afocal，這也就是前組鏡非線性移動的原因了。

那這不能匯聚光線的鏡頭（生成的是虛像，可以用眼睛看）有什麼用？
1931年Busch公司的H.Naumann提出可以把這東西接在一個定焦鏡頭前面，就變成一個成實像變焦鏡頭了！前組負責「放大」影像，後組的定焦鏡頭負責「匯聚成像」。這就成了一個三組式的變焦鏡頭。由於前組是afocal的，所以前組「輸出」的光線不需要再進行焦點偏移的補償了，前組本身即是既是變焦，也是焦點補償的。

當然事實上前組並不是真正、完全的afocal，這無關緊要，對於實際成像的影響不大。

（圖4）
這是Busch Vario-Glaukar恆定光圈變焦鏡頭（光圈在變焦鏡組後，不受影響，所以恆定——關於恆定光圈的問題不展開了）。光圈之前就是afocal的部分，後面的部分可以視為一個定焦鏡頭。

圖中第一個可動鏡組和第二個可動鏡組的移動都是非線性的，表現在鏡頭外觀上就是變焦的時候縮短又變長。
同樣，你可以在很多現代鏡頭上也發現這種設計，比如：

（圖5）
這是尼康的鏡頭，你可以看到其內部鏡組的移動。安琴Angenieux的很多變焦鏡頭也是這原理。
區別是，這裡是中間組和第三組鏡組移動（原理上，移動後組和移動前組沒大差），好處是你從外觀上看不到變化，這即是所謂的「內變焦」，記得CN兩家的小炮都有這個賣點，其實說白了並沒啥神奇。

此外，在有計算機輔助設計的情況下，這個移動可以設計的很精確，甚至可以3組、4組聯動更好的矯正像差，比如Vivitar 35-85/2.8，其前半部分有三組聯動，不過正如Vivitar自己說的，在近攝的時候焦點還是會偏移（當年說為了更好的成像所以沒有fix focus，但成像平平啊…畢竟價格在那裡）。

（三）光學補償焦點偏移的變焦鏡頭。
上述的（一）和（二）都屬於「機械補償」，即利用套筒啦，螺線啦之類的讓鏡組聯動。除此之外也有使用光學補償的方法。以前人們擔心機械結構耐不住艹，後來發現完全是杞人憂天，所以光學補償現在已經幾乎看不到了。

（圖6）
這是一個簡化的光學補償Zoom Lens的示意圖
典型的例子有Voigtlander Zoomar36-82/2.8，Som的16mm電影機用Pan Cinor 20-60/2.8等等
你可以看到前、後兩片鏡片的移動帶來焦距改變的同時，焦點依然保持在底片上。
具就看你怎麼理解和（一）和（二）中的機械補償的差異了，因為其實這裡也有機械運動。
機械補償，在我的理解上，是每組都基本矯正好了像差，無非遠近不同影響影像大小而已
光學補償，則是整體光路的改變，在其間各種像差不斷變化於鏡組之間的離合。
（當然這裡也未必正確，畢竟Kingslake沒說，而我實際上是搞翻譯的，不是搞光學的~）

事實上，這類鏡頭在變焦的同時焦點是「反覆」游移於焦平面附近的，並不是100%固定。通過增加強力的定焦鏡組，可以讓這種漂移的影響減小。

總之這種鏡頭不多，但這種鏡頭的移動是單向的（雖然移動距離和焦距變化不成比例），因為是整體運動。

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差不多就是這樣，這就是為什麼有些變焦鏡頭會又伸又縮，有的只伸不縮。

至於《紐攝》這裡說的是（整體）移動鏡組的對焦方式，整體移動鏡組，鏡頭各組之間距離不變，當然焦距不變，也就是簡化為理想透鏡然後套用
1/物距+1/像距=1/焦距
的公式而已。

最後，「在聚焦的時候建議是先在長焦端聚焦在調至合適的焦距，在這個過程中焦平面不會改變嗎？」
我想你應該有答案了。
——對於100%做到zoom的鏡頭而言，長焦端「放大」影像後對焦更精確，然後變焦，焦點由於不偏移，所以可以直接拍攝。
——對於無法做到100% zoom的鏡頭，變焦之後焦點偏移，這樣不可取。
——至於哪些手動鏡頭比較人性化，可以讓你這麼干，我不知道~
——對於自動鏡頭而言…管他咧！

以上。

你要有興趣，可以去看R.Kingslake的另一本《Optics in Photography(SPIE Press Monograph Vol. PM06)》
對於變焦鏡頭的演化，Kingslake也寫了《The Development of the Zoom Lens》JSMPTE 69, 534(1960)
就是這兩個東西中文肯定是沒有的，第一本書的話Amazon有的買，第二個大概要翻資料庫了…

同意一樓答案，另外我想討論下問題三。
通常在設計變焦鏡頭的時候是對遠處目標進行設計的，因此拍攝遠處目標先在長焦端對焦再變到短焦能夠獲得比較準確的聚焦。但是對較近的目標可能未必適用。