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相机对焦原理(附景深与超焦距)

前几天在其他论坛发了个晒单,后来看回帖评论,发现还有不少网友分不清镜头的变焦和对焦。说实话自己最早的时候也不明白,后来看了摄影教材上的解释,仔细回忆了初中物理凸透镜成像的原理,总算是大概搞明白了。因此将一些基本概念分享在这里,顺便讨论下景深和超焦距的原理。

1、焦点 (focus)

平行光线射入凸透镜时,理想镜头将所有的光线聚集在一点,这个点,就叫做焦点,焦点和镜片光学中心的距离叫做焦距。过焦点后光线继续以锥状发散开来。

凸透镜的成像公式是:

1/u+1/v=1/f

这是最基本的公式,u指物距,即物体到透镜组中心的距离,v指像距,即成像至中心的距离,f指焦距。

有很多新手分不清“对焦”和“变焦”,因此“定焦镜头是否能对焦”这个问题在各大摄影论坛被问了无数次……事实上定焦镜头并不是什么都固定的,只是焦距,也就是70mm-200mm,这个mm固定,也就是视野大小固定。就好像眼球一样,虽然焦距是固定的17mm,但是仍然可以根据视物远近对瞳孔后面的晶状体厚度进行调整以保持视物清晰。

出现这个问题,我觉得主要还是因为中文翻译不好(英语很明确),实在容易混淆。下面结合凸透镜成像原理解释几个摄影中约定成俗的说法:

“变焦(Zoom)”一词是指改变焦距f。只有变焦镜头的焦距才能被改变,定焦镜头的焦距是固定的。事实上,相机的镜头由多片凸透镜和凹透镜组成,但从成像结果来看,可以把这一组镜片看成“一个”凸透镜。这“一个”凸透镜的焦距就是标在镜头上的诸如定焦的50MM。那么变焦镜头比如18-55MM,怎么回事呢,说穿了很简单,就是改变这“一个”镜头里某些镜片的位置,达到改变这“一个”凸透镜的“凸的程度”,也就是焦距f。变焦最直观的体验就是被摄物体在取景器里被放大或者缩小了。

“调焦(Focus)”或“对焦”一词习惯指改变像距v,也就是改变镜头光心到底片平面的距离。除了一些低档傻瓜机镜头没有调焦机构,不能改变像距外,所有镜头,无论定焦变焦,都可以改变像距。当我们转动对焦环的时候,显然是某组镜片在前后移动,这组镜片动了以后,这“一个”镜头的“光心”就动了,物距和像距自然就动了(事实上对焦的本意是改变像距,但是一般物距比像距大得多,因此物距变化可忽略不计。另外光心是指光学中心,重要概念哦~不是物理中心,也不是几何中心。)对于变焦镜头,一旦其焦距固定在某个f值时,对焦过程和定焦镜头其实是一样的。

“焦点对在xxx上面(Focus on xxx)”这个习惯说法(也即“合焦”),是指通过“调焦”,即改变像距v,使之与景物xxx到镜头的距离u、镜头焦距f,满足成像公式 1/u + 1/v = 1/f,也就是景物xxx能在底片上清晰成像。

2、弥散圆 (Circle of Confusion)

又译为:弥散圈、模糊圈等等

在焦点前后,光线从聚集到扩散,点的影象从圆到点(焦点),继而有扩散到圆,这个焦点前面和后面的圆就叫做弥散圆。

如果此圆形足够小,肉眼依然可被视为点的成像。这个可以被接受的最大直径被称为容许弥散圆直径δ (Permissible circle of confusion)。

观赏拍摄的影象是以某种方式来观察的,人的肉眼所感受到的影象与观看距离有很大的关系,如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力,人眼将感觉是清晰的。这时的弥散圆的大小就称为容许弥散圆。

人眼在明视距离(眼睛正前方30厘米)能够分辨的最小的物体的尺寸大约为0.125mm。蔡斯公司制定的标准时,选用了常用尺寸7吋照片(175×125mm)为依据计算,要求弥散圆只能在0.125mm以内,按此计算得到是图像对角线长度的1/1730左右。所以蔡斯公司制定的标准就是弥散圆直径 δ=1/1730 底片对角线长度。

不同的厂家、不同的底片面积都有不同的容许弥散圆直径的要求。各厂家对于35mm照相镜头的容许弥散圆的取值并不统一(前提是画面放大为5×7吋的大小,观察距离为25~30cm)一般取值范围是底片对角线长度的1/1000~1/1500左右。在这里可以看出:景深是相对的,不是绝对的,和弥散圆直径 δ的取值大小有着直接的关系。同时我们也可看出:弥散圆直径 δ 的取值的大小和镜头生产厂商的技术能力有关。

一般常用的数值是:

画   幅

24mm×36mm

6cm×9cm

4"×5"

容许弥散圆直径 δ

0.035mm

0.0817mm

0.146mm

3、景深 (Depth of field)

在对焦时,通过镜头将在焦平面上清晰成像,而对焦点的前景和后景也在焦平面成像,只要它们成像的弥散圆等于或小于容许弥散圆直径,我们将认为是清晰的,这样影像就有一个的清晰的区间,这就是景深(下图)。


从以上可知道,在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离我们称呼它叫焦深,它和景深是相对应的。所谓景深即:在被摄主体(对焦点)前后,其影像具有的一段清晰范围,这范围内的景物在焦平面上成像,都在容许弥散圆的限定范围内。

景深是随镜头的焦距、光圈值、对焦距离的不同而变化。一般来说:

(1)、焦距短,景深大,
(2)、对焦点离远,景深大,
(3)、光圈小,景深大。

以拍摄者为基准,从对焦点到近点的清晰范围叫前景深,从对焦点到远点的清晰范围叫后景深。

4、景深的计算

从公式中可以看出,后景深 > 前景深。

由景深计算公式可以看出,景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。这些因素对景深的影响如下:

(1) 镜头光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;
(2) 镜头焦距:镜头焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大;
(3) 拍摄距离:距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。

5、计算实例

①50mm/f2.8

②50mm/f8

③105mm/f2.8

δ

0.035mm

0.035mm

0.035mm

f

50mm

50mm

105mm

F

2.8

8

2.8

L

3000mm

3000mm

3000mm

ΔL1

316mm

754mm

78mm

ΔL2

400mm

1518mm

82mm

ΔL

716mm

2272mm

160mm

从上表大致看出景深和焦距、光圈之间的相互的影响:

①50mm/f 2.8镜头,清晰范围是从2.68m~3.40m,景深为0.72M
②50mm/f 8镜头,清晰范围是从2.25m~4.52m,景深为2.272M。
③105mm/f 2.8镜头,清晰范围为2.92m~3.08m,景深为0.16M。

6、景深表

使用景深计算公式,我们可以完整地计算一张景深表,供我们日常摄影时便查(因为计算较为繁复,你是不可能在现场临时计算的),但是有的书籍中有是也提供现成景深表,下面就是书中提供的景深表,(这是尼康公司为尼柯镜头提供的)供大家参考。

景深表可以制成表格,也可以用其它方法制作。我按相机的镜头上常见的方法,根据计算,制作了一个转盘式的景深标尺,用这个标尺,要比查表方便一些。各位可以下载(见:《景深计算盘》一文),用厚一点的纸张打印出来,中心用一个小钉订上,就可以使用了。

7、超焦距 (Hyperfocal Distance)

定义:在摄影镜头的焦距和光圈均已确定的前提下,能够获得最大景深时的摄影物距,称为在这个焦距和这个光圈下的超焦距。

以上是超焦距的定义,看起来有些费解,另外,超焦距又有什么用呢?为了说清楚,我就使用上面的景深标尺来讲述一下:

图一:这个景深标尺,我相信的一看就懂:目前对焦是在2M上,你看不同的光圈值两边各有一根指示线,这两根线指示了该种光圈在距离2M时的,前景和后景的清晰范围。比如:如果用了F=11的光圈,清晰范围大约在1.5-3M。

图二:这是镜头对焦在无穷远的情况,如果照风景,用光圈F=16,你可以看到大约在4.5M以外都清楚。

图三:图二的这种对焦情况不是最好,因为这时的后景深就没利用上。

如果我们对焦在4.5M上,这时我们可以发现仍然用光圈为F=16时,那就用上了F=16的后景深:

后景深指示线对在无穷远上,这样对焦既保证了无穷远处的清晰度,而前景深指在2.2M处,清晰范围比图二前进了2M多,得到了最大的景深。

这就是“超焦距”对焦法,而4.5M这个对焦位置称呼超焦距

超焦距的方法在抓拍时常用,因为在我已知的范围内(比如上面说的2.2M以外),就不用对焦了,抓了就照,可以抢时间,抓镜头,同时也保证了清晰度。所以新闻记者等是比较爱用的。

超焦距距离的计算比较繁,所以如果你的镜头上附有景深标尺的话,在对焦时将你选用的光圈值的后景深线对准无穷远,就可以了,不必计算,使用也方便。这也是镜头上带有景深标尺的一个很大的用途。

当然在没有这个标尺时,我们最好借助与景深表或转盘式的景深标尺这个工具了。

参考资料:

[1] 蜂鸟摄影论坛:http://bbs.fengniao.com/forum/1087532.html

[2] 色影无忌:http://forum.xitek.com/forum-viewthread-tid-391955-extra--action-printable-page-1.html

[3] 色影无忌:http://forum.xitek.com/thread-384005-1-1-1.html

[4] 电脑之家-数码摄影俱乐部:http://club.pchome.net/thread_2_3_746364_2__.html

[5] 电脑之家-数码摄影俱乐部:http://club.pchome.net/topic_2_3_244776__.html

[6] 网络上一篇取名为“景深与超焦距”或“相机对焦原理”的文章,作者不明。

本文固定链接: http://blog.xieyc.com/depth-of-field-and-hyperfocal-distance/ | 小谢的小站

该日志由 xieyc 于2013年06月24日发表在 摄影 分类下, 你可以发表评论,并在保留原文地址及作者的情况下引用到你的网站或博客。
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  1. 沙发
    joe_thales:

    是不是像平面,不是焦平面

    2014-10-20 11:12

发表评论

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