数码相机入门 成像原理关键词·中
刘恩惠 于 2010.02.24 18:45:42 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.13/146
●关键词之四:光圈

光圈是什么?如果我们将镜头视为“小孔成像”中“小孔”的载体,那么光圈就是小孔的具体开孔大小;它决定了进光量的多少和成像的清晰范围。事实上,光圈既是一个参数也是一个部件;不过作为一种部件,其精确的称呼应该是“光圈叶片”。光圈叶片通常安装在镜头内,是一组重叠设计的片状体,其中央形成一个面积大小可灵活调节的多边形孔洞,进入的光线只有先通过这个孔才有机会传递到镜头后方的感光材料上。用生活中的例子来作比喻,光圈叶片就好比是一个自来水阀门;不过区别在于,阀门通常可以完全关闭水流,而光圈叶片无论如何都会留出一个孔让光线进入。

  • 光圈叶片所控制的不同开孔面积所带来的进光量自然是不等的,那么用什么还加以衡量呢?通用的标准就是看“光圈系数”。按照惯例,光圈系数采用比例值记法,也可用“f值”来表示。其运算公式如下:镜头的最大光圈系数=镜头有效口径/镜头焦距。这应该不难理解——有效口径大小决定了捕获光线的能力(口径越大进光量约多),而焦距长短则决定了光线在镜头中传播的时间(焦距越长传播速度越大),最终通过镜头的实际光强由这两个因素共同作用而得。需要强调的是,这里所定义的有效口径与镜头上标注的滤镜口径是两个概念,不可混淆。

    当镜头焦距与自身有效口径相同时,两者比值为1:1,此时光圈系数即为1:1,f值则记作f/1.0;但大多数情况下,镜头有效口径通常小于焦距值,如两者间比值为1:1.4,那么其最大光圈系数即为f/1.4。对于光圈系数而言,其f值越小,进光量越大;f值越大,进光量反而越小;在其他条件均相同的前提下,f/1.0的进光量大于f/1.4;对此初学者一定要牢记。基于圆面积计算公式“πr平方”,我们来具体测算一下两者间的光量差:

    • f/1.0光圈的进光量=[f/(1/2)]×[f/(1/2)]×π
      f/1.4光圈的进光量=[f/(1.4/2)]×[f/(1.4/2)]×π
      整理后可得出两者之比为 (1×1):(1.4×1.4)=1:1.96≈1:2
      结论——在其他参数均等的前提下,f/1.0的进光量比f/1.4时多一倍

    常见的光圈f值有f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22、f/32等,这些都叫做整级光圈。相邻的两个整级光圈的平方值相差约一倍左右,进光量也基本相差一倍;通常习惯下将f/2.8以上视为大光圈,f/11以下视为小光圈,中间范围称为中等光圈。当然,如今大多数镜头的光圈值都可以做更为精密的调节,而镜头的最大光圈f值也未必恰好是整级光圈;在相邻的两个整级光圈f值之间会有一至两档的微调范围,譬如f/5.6至f/8之间通常有f/6.3、f/7.1两级。

  • 对于一款镜头而言,光圈系数有最大、最小两个主要指标。部分变焦镜头的情况会复杂一点——其不同焦距下的最大光圈与最小光圈是不一样的,短焦距下的最大和最小光圈系数要比长焦距下来的大;不过比较高档的变焦镜头在不同焦段下的光圈系数则通常被设为一个不变的恒定值。厂商在镜头的型号上除了标明焦距、焦距范围之外,通常也会注明其最大光圈系数或系数范围。此外,不同镜头使用的光圈叶片数量也往往不尽相同,叶片数量对于焦外成像、星芒数量等实际拍摄效果会产生影响。

    • 小贴士:大光圈镜头有哪些特点?——由于大光圈往往需要靠增加镜头有效口径来实现,因此同焦距、同类别镜头内,最大光圈系数较大的型号往往外形体积也相应较大(见下图实例)。更大的进光量能带来一系列的好处,而厂家也习惯以光圈大小作为拉开同类产品档次的重要依据,因此大光圈镜头往往因镜片配置考究而价格不菲。需要说明的是,由于结构复杂程度不同,定焦镜头更容易获得大光圈,故而不少品牌都有最大光圈在f/1.8左右的廉价大光圈定焦镜头;而变焦镜头通常达到最大f/2.8就可算高档产品了;以光圈大小论产品档次只在同类别同焦距镜头内才有比对意义。
  • ●关键词之五:快门

    除了光圈之外,在镜头与感光材料之间还有一个部件会对光线的流通起到关键作用,它就是“快门”。只有当快门打开时,从镜头射入的光线才有机会被感光体捕获。

    很长一段时间内,快门都是作为照相机必不可少的组成部分而独立存在的;有些相机的快门被置于镜头中,而有些则置于机身中紧靠着感光体,习惯上称之为“焦平面快门”。随着技术的发展,在数码相机上分派出“机械快门”和“电子快门”两大阵营——前者依然是一个独立的部件,而后者却是利用电信号的开闭在芯片上模拟快门功效,而不存在快门实体。快门这个概念对于相机而言是不可或缺的,无论是“机械”还是“电子”,只是它不同的工作方式而已。使用的时候,快门就好比是一道精确性、灵敏度都极高的帘子;有些机械快门的主体部分通常就是两张钢制的薄片或一张不透光的布帘,关闭时遮挡光线,适当的时候则被打开以允许光线通过。

  • 虽然都是为了控制光强,但快门与光圈不同,它没有大小之分,只有快慢之别。快门每开闭一次的工作间隔时间称之为“快门速度”;正常工作状态下,相机快门开闭一次既完成一次有效曝光。快门速度通常具有很大的调节范围,快至数千分之一秒之短、慢至数十秒之长,而不同档次的相机快门指标往往是有显著差别的;而对机械快门来说,制造工艺不同的产品使用寿命也往往差距明显。

    快门与光圈共同配合,分别把握时间与强度,从而达到控制进光量并营造影像效果的目的。在固定的光照条件下,光圈不变时,快门速度越高,进光量越小;快门速度越慢,进光量越大。与此同时,快门速度与光圈系数之间还存在一个“倒易律”(有时也被称为“互易律”)。譬如f/1.8、1/500秒,f/4、1/100秒以及f/8、1/25秒这三个曝光参数组合所获得的曝光量是完全相等的;然而由于光圈、速度各不相同,采用这三种参数所能获得的影像效果特征却可能完全不同。基于这一规律,人们就能在保证曝光充分、恰当的前提下,利用不同的曝光参数组合创作出风格不同的摄影作品。需要说明的是,当快门速度大于1秒或小于1/1000秒时,可能会导致倒易律的失效。

    • 小贴士:高速快门和慢速快门的用武之地——高快门速度可以将快速运动中的被摄主体捕捉下来并凝固为静态瞬间,譬如在拍摄野生动物、体育比赛场景时就非常有用;而低快门速度可以保留被摄物体运动过程的光影轨迹并形成具有动感的画面,拍摄流水瀑布、城市车流时可能会用到。但使用慢速快门时往往需要三脚架之类的固定设备支持,否则手握拍摄时的振动可能会导致画面虚糊;当然也有摄影师会利用这种虚糊,去刻意营造特殊效果。
  • ●关键词之六:景深

    谈到“景深”或许一些朋友会对此感到陌生,但大家应该都看到过“背景虚化”很明显的照片,事实上程度不同的背景虚化就是由深浅不同的景深造成的。那么如何理解这一概念呢?

  • 在光学领域中,我们将通过焦点并垂直于光轴的那个平面称为焦平面。如上图所示,如果我们将投射在这个虚拟平面上的光信息视为一个个独立的光点,那么这些光点是有大有小的。换而言之,我们肉眼所看到的由相机镜头捕获的影像,其实也可视之为由大小不等的光点所组成;越是细小的光点越能呈现出清晰的成像,而与粗大光点相对应的自然是模糊。在拍摄时,相机完成精确对焦之后,理论上对焦点处以及与此点处于同一焦平面上的物像以光点形式投影到成像面后,由于光点最小故可达到最高的分辨率,“脱离”这个平面的物像则会出现不同程度的分辨率下降;下降幅度由物象所处的实际位置及其与镜头间的物理距离所决定。如下图所示,这张照片拍摄时对焦点瞄准的是女长笛演奏员的面部,因此照片上她的脸部细节最为清晰,而处于她身前身后的演奏员脸部则出现了程度不一的模糊感。

  • 但事实上,对于略微增大的光点所导致的清晰度下降,人眼是无法清晰分辨的;因此很多时候,对焦点所处平面前后一定距离内的影像清晰度同样也比较高,起码人们未必能够察觉出区别。可见对于人眼的视觉效果而言,清晰与不清晰之间存在一个范围,而所谓景深,就是指对焦点前后延伸出来的可接受的清晰区域范围。清晰范围小,称之为“浅景深”;清晰范围大则习惯上称为“大景深”。浅景深时,极近处和极远处的物象在视觉效果上会显得很模糊,而大景深时前后景相对都比较清晰。对于相机而言,景深是可以被改变、控制的,它与光圈大小、焦距长短、对焦距离远近这三大因素紧密相连。简而言之,光圈越大、焦距越长、对焦距离越近,景深则越浅;反之景深越大。这些我们会在后面的部分做更详细的解释。

    • 小贴士:改变景深的意义——控制并利用景深对于摄影艺术而言是非常重要的,浅景深与大景深都有各自的用武之地。利用浅景深时清晰与模糊的鲜明对比,可以虚实结合的方式来营造层次感、空间感甚至提高照片的艺术性;利用大景深影像清晰范围广的特点,则往往能在风光摄影中获得更好的拍摄效果。
  • 谈到景深就一定要顺便说说“超焦距”的概念,两者的关系很密切。超焦距其实也是一个距离概念;基于透镜成像原理,经过实践与测算人们发现——当镜头对焦在无穷远时,以人眼的分辨率,从某一距离开始至无穷远区域内的影像在视觉上都能保持相对清晰,这个距离临界值就是所谓的“超焦距”;如果镜头对焦距离恰好等于超焦距,则景深是从超焦距的一半距离到无穷远。譬如一支50mm镜头在f/8光圈时的超焦距为10m左右,其实践参考价值在于——将该镜头对焦于无穷远时,从相机成像面(感光面)之前10m处至无穷远范围内的所有物像对人眼而言都是清晰的,10m以内的物像则会出现不同程度的模糊;如果对焦点恰好在10m处,那么从成像面前5m附近至无穷远都同样清晰。

    掌握了超焦距,有助于我们获得最大的景深范围,从而获得前后景都十分清晰的成像;而一些傻瓜式便携数码相机正是利用了超焦距来帮助普通用户拍出清晰的照片。需要说明的是,不同焦距、不同光圈系数下,超焦距是不同的;我们可通过某些镜头上的景深刻度表来确定不同光圈系数下的超焦距,但并不是每款镜头都带有刻度表;对此我们可以用公式来加以推算——超焦距=焦距的平方值/(光圈系数×模糊圈直径)。

    • 小贴士:什么是模糊圈?——限于肉眼的分辨率,当光点小到一定程度后,人们也就无法分辨它与更小光点之间的大小差异;换句话说,也只有当光点大到一定程度时,我们的肉眼才会察觉到视像的模糊。光点直径是否能被肉眼所分辨的大小临界点就是所谓的“模糊圈”,更确切地说应该是“最小模糊圈”;在不同的成像面积上,模糊圈大小是不同的,成像面积越大模糊圈直径也相应越大。

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    科普好文!只是似乎存在一些笔误:
    1、“而焦距长短则决定了光线在镜头中传播的时间(焦距越长传播速度越大)”,此处括号中的“速度”应为“时间”;进而在相同时间内,光线传播时间越长,会导致感光器进光量越小。
    2、计算进光量比值时,两者之比左右应该调换下顺序,因为原式中(1/2)和(1/1.4)其实是出现在分母位置。
    此帖使用Win10提交
    发表于2020.08.11 14:50:14
    36
    科普好文!只是似乎存在一些笔误:
    1、“而焦距长短则决定了光线在镜头中传播的时间(焦距越长传播速度越大)”,此处括号中的“速度”应为“时间”;进而在相同时间内,光线传播时间越长,会导致感光器进光量越小。
    2、计算进光量比值时,两者之比左右应该调换下顺序,因为原式中(1/2)和(1/1.4)其实是出现在分母位置。
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    发表于2020.08.11 11:53:56
    35
    112.091.185.***
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    发表于2015.07.22 23:06:14
    32
    049.077.034.***
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    发表于2014.02.11 20:52:06
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    113.097.***.***
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    这样我还蛮期待你的文章。来吧~看着你能耐哦
    发表于2013.04.25 23:50:29
    28
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    发表于2013.01.09 10:46:34
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    发表于2013.01.09 10:46:29
    26
    03
    看文章半天没看懂 看到这条评论 一下明白了
    发表于2013.01.05 22:00:43
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    03
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    发表于2013.01.05 22:00:43
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    116.226.***.***
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    超焦距并不是人眼无法分辨,而是感光元件的无法分辨。也就是说对焦不准产生的模糊圈小于一个像素。
    发表于2012.07.05 13:54:42
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    继续认真学习中。
    发表于2012.02.09 21:10:14
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    182.150.233.***
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