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系統瞭解鏡頭原理(上)

時間:2016-12-14 09:48

按了好幾年快門,拍了那麼多照片,回頭來看,還是得問問自己,關於攝影的原理,你又真正掌握了呢?你真的懂你手中的鏡頭嗎?它是否真正成為你創作好幫手了呢?要知道理論基礎決定上層建築,透徹的瞭解了攝影的基礎知識,有助於充分發揮手中萬元設備的價值,下面,就給大家系統的介紹一下鏡頭的原理,耐心的看過之後,你一定會有收穫。

從針孔到鏡頭

光的反射和發散時而像射線時而像波浪。從任何場景中的所有點發出或反射的光線都散向四面八方。影像的形成,並不需要從一個點或一個物體反射出的全部的光,而需要從中有所選擇。

當一個物體反射的光遇到一個帶有小針孔的阻擋物時,如下圖所示,從每個點傳出的光大部分遇到阻擋發生偏轉。少量從物體處反射的光線通過針孔並以直線傳播,當它們到達一個平面(像是相機背部的膠片)上時,將會形成一個圖像。圖像將旋轉顛倒。拍攝對象頂部的一切出現在圖像的底部,底部的一切出現在圖像的頂部。同樣,原本在左邊的出現在右邊,原本在右邊的出現在左邊。

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為了達到這樣的畫面效果,相機的透鏡被替換為一個被微小的針孔刺穿的薄金屬圓盤,大小相當於f/182 的光圈。光從主體發出,每個點只有少數光線通過微小的開口,形成一個柔和的相對清晰的照片。因為針孔的尺寸小,所以曝光時間達到6 秒。

使用針孔作為鏡頭的弊端在於其微小的開口。它只能允許極少量的光線通過,以致於要想在膠片或傳感器上形成影像需要非常長時間的曝光。如果小孔被放大,曝光時間會變短,但同時圖像也會變得不夠清晰,如下圖所示。

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當針孔的大小增加至f/65,結果是隻需要1/5 秒的曝光,但是圖像會極度失焦。較大的孔讓主體上的點發出的光線更多的通過。這些射線在到達感光表面之前廣泛傳播,使光線圈彼此重疊,形成一個非常不清晰的圖像。

針孔雖小,仍能允許小簇光線通過。這些光線從細微不同的角度產生,通過小孔繼續在細微不同的方向上傳播。因為它們發散出來,所以當它們接觸一個表面(如膠片)時,從被攝主體某個點發出的射線形成一個微小的,模糊的圓形,而不是一個點。當孔的大小增加,更大簇的光線通過膠片或傳感器,形成一個更大更模糊的圓圈。這些圓圈相互重疊,使得每個圓圈變得更大,畫面也變得更模糊。

鏡頭將通過一個相對較短的曝光形成一個清晰的圖像。為了獲得清晰的照片,一個小點的形象也應該是一個小點。但攝像機上的針孔是無法實現這一點的。即使是再微小的開口,允許少量光通過,進行較長時間的曝光,也不會形成一個非常清晰的影像。為了讓更多的光通過,並形成清晰的畫面,相比做出最小的針孔,我們需要不同的方法。這就是鏡頭所提供給我們的。

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這次,用一個光圈f/16 的簡單凸透鏡,畫面比用較小針孔拍攝的更清晰,並且曝光時間要短得多,僅為1/100 秒。鏡頭打開時比針孔大很多,能讓更多的光線通過,它能使拍攝對象各個點發出的射線精確地聚焦,進而使照片顯得非常清晰。

一個複合鏡頭,如下圖所示 ,通常是由六個或八個單獨的鏡頭組成。每個透鏡被添加以糾正一些像差(聚焦缺陷)。此鏡頭六個元件被分成四組。每個元件是一個兩面都彎曲或一面彎曲一面平滑的簡單透鏡。每組可能由一個單獨的元件構成,例如(a)或(d),或者它可以是膠合在一起的兩個或多個元件,如(b)和(c)所示。

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鏡頭像差在數學上是可以預測的,其中的一些明顯缺陷可以在照片形成後被數字性去除,但使用一個精心設計的鏡頭永遠是好的開始。

大多數的攝影鏡頭都採用凸透鏡。凸透鏡中間厚邊緣薄,它從透鏡前面的物體上的任何一個點收集大量的光線,並進行折射或彎曲,使它們彼此靠近,最終在透鏡後彙集到相應的單點(圖解見下圖)。畫面中的每一點(物點)對應透鏡後面的一個點(像點)。相機中的膠片條被伸平(或者有一台平的數字式傳感器)在圖像平面上,有時也被稱為膠片平面。場景中相應物體平面上所有的點都將匯聚到該表面上,因此拍攝在該平面上的圖像將變得清晰。

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光線穿過四個玻璃塊的圖解很好地解釋了折射的工作原理。光線從左邊進入,穿透第一塊玻璃塊(1)直線傳播。下一個玻璃塊(2)被成角度地放置,使光線被彎曲,但是當它們從玻璃塊射出時再次彎曲以恢復成之前的方向。第三塊(3)的凹面將光線分散,但最後的玻璃塊(4)是一個類似相機中基本聚光透鏡的凸透鏡,它將光線重新匯聚到一起,使它們在焦點處匯聚。

一個鏡頭如何通過折射(彎曲)光線形成圖像?當光線從一種透明介質,如空氣,進入另一個不同的透明介質,例如水或玻璃,光線將發生折射或彎曲。觀察一個一半浸入一杯水中的湯匙,你會看到一個常見的折射例子:從勺子上反射的光線會被水和玻璃彎折,因此勺子浸入水中的部分會出現部分移位。

要想發生折射,光必須以一定角度射入一個新介質。如果光線是垂直於表面射入,射入和射出介質時,光線將直線通過。但是如果它們成斜角射入或射出,光線將被彎曲成可預測角度。入射角越大,彎曲程度越大。

當光照射在具有彎曲表面的透明介質上,例如透鏡。光線將根據在透鏡表面射入射出的角度

不同被彎折成許多不同的角度。它們將由凹面分散傳播並通過凸面匯聚靠近。光線從物體上一個點產生通過凸透鏡(最簡單的相機鏡頭的形式)彼此相向彎折,最終被聚焦在圖像點上。

  鏡頭焦距

鏡頭之間最大的區別在於它們的焦距。因為你最有可能使用可以更換鏡頭的相機,所以你也可以選擇購買或使用一個或幾個鏡頭。鏡頭往往是用它的焦距( 一個50mm鏡頭,一個0.3米的鏡頭)或其相對焦距(正常,長或短)來描述的。從技術上來説,焦距是當鏡頭聚焦在無限遠時,鏡頭的背面結點與聚焦平面之間的距離。從理論上講,無限遠是無法衡量的遠距離,超越了宇宙的邊緣。在攝影方面,無限遠是平行光線進入鏡頭的距離。鏡頭設計者將光線匯聚所在的鏡頭後部的圖像點稱為焦點。

焦距控制放大率和鏡頭形成的圖像的大小。較長的鏡頭,投影在膠片或傳感器圖像中的對象的大小更大(參見下方圖解)。

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短焦距鏡頭使光大幅彎折。 光線聚焦在鏡頭後面較近的位置,形成一個拍攝對象的小影像。

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長焦距鏡頭比短焦距鏡頭的光線彎折度小。焦距越長,光線彎折度越小,光線聚焦形成圖像的位置距鏡頭越遠,形成的影像越大。圖像的大小與焦距的大小成正比。如果保持拍攝對象距鏡頭的距離相同,一個50mm鏡頭形成的圖像將是一個25mm鏡頭形成的圖像的兩倍大。

焦距也控制視角,控制在給定大小的傳感器或膠片上顯示出的畫面的量。長焦距鏡頭相比於短焦距鏡頭,成像更大。其結果是,在給定尺寸的傳感器或膠片上,較長焦距鏡頭拍攝出的畫面少。如果你用拇指和食指擺一個圓圈,並接近你的眼睛,你會看到你眼前的大部分畫面,與短鏡頭類似。如果你將你用手組成的圓圈撤遠,效果類似於長焦鏡頭,圓圈內將出現較少的畫面,從你的手指組成的圓圈中看到的視角變小。同樣的,越長的焦距,你從鏡頭中看到的視角越小或越窄。

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在保持鏡頭到拍攝對象的距離一定的情況下增大焦距,其效果是圖像放大,倍率增加,而視角減小。因為攝影者的位置不變,所以場景內拍攝對象大小比例保持不變。下圖顯示的是一些可以被用在35mm或“全畫幅”數碼相機上的不同焦距鏡頭的視角。這個鏡頭焦距就是其他數碼相機的初學者們經常説的“35mm等效”。

  鏡頭焦距——正常焦距

一個正常焦距鏡頭也被稱為標準焦距鏡頭,和人眼所觀察的視角大致相同。最偉大的現代攝影師之一:亨利. 卡蒂爾.佈列松將相機形容為“我眼睛的一種擴展”,他經常使用正常焦距鏡頭。他照片中所包含的畫面就好像你身臨其境觀察到一樣,他的作品的視角自然,遠處與近處的拍攝對象大小比例協調。

一個相機上的一個正常焦距鏡頭可以作為另一個相機的長焦距或短焦距鏡頭。傳感器或膠片尺寸的大小決定着相機的正常焦距。尺寸越大,該規格的正常焦距越長;它大致符合傳感器表面或每幀膠片的對角線長度(見下圖)。

一個使用35mm膠片的相機以50mm鏡頭作為一個正常焦距鏡頭,這也是一個24×36mm(全幀)數字傳感器的正常焦距鏡頭。對於使用4×5 英寸膠片的相機,150mm 鏡頭是正常焦距。大多數數碼相機的傳感器是小於35mm膠片幀的,所以它們的正常鏡頭焦距是小於50mm 的。當然,這些規則是靈活的,例如,40mm~58mm鏡頭都可作為35mm相機的正常焦距鏡頭。

正常焦距鏡頭相較於更長或更短焦距鏡頭有一定優勢。大多數正常焦距鏡頭更快,即相同時間它們能夠將光圈開得更大,所以它們可以使用更快的快門速度,或者在更加暗淡的光線下進行拍攝。它們往往更便宜,更緊湊,重量更輕。

焦距的選擇是一種個人偏好。有些攝影師習慣性使用短焦距鏡頭,因為大部分時間他們想要一個寬視角;另一些人喜歡更長焦距鏡頭,通過縮小視角突出一個場景中的主體對象。如果你不確定自己的偏好,從一個正常焦距鏡頭開始吧。

一個給定焦距鏡頭可能正常,短或長,這取決於你正在使用的膠片或你的數碼相機的傳感器的尺寸大小。如果一個鏡頭的焦距與光敏表面的對角線長度相當(圖中虛線所示),我們可以認為這是個“正常”焦距鏡頭。它大約從50°視角中收集光線。

右邊的照片是使用一個4×5 英寸相機150mm鏡頭拍攝的。4×5 英寸膠片的對角線長度約為150mm,所以一個150mm 鏡頭對於該尺寸膠片是正常焦距鏡頭。

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但150mm 比35mm膠片幀或相同尺寸的傳感器(稱為全畫幅)對角線更長。150mm 的鏡頭對於這類相機是一個長焦距鏡頭,因為大多數數字傳感器要小於35mm 膠片幀,150mm對於大多數數碼單鏡頭反光相機是很長的(見下圖)。

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使用正常焦距的鏡頭是攝影師表達主觀感受的一種方式。廣角鏡頭和長焦距鏡頭強調的是攝影師的技術,其中涉及如何選擇透視關係與景深。

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儘管卡蒂爾.佈列松反對討論技術,但是眾所周知他能夠將他35mm萊卡相機上正常焦距(50mm)鏡頭運用得爐火純青。我們被攝影師想要我們關注到的畫面所吸引,被瞬間抓取到的時間本身的詩意所震撼。卡蒂爾.佈列松將它稱為“決定性瞬間”。

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