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攝影光學名詞大詞典

幻像 (ghost image)
  強光直接射入鏡頭內,由于鏡頭各面的反射形成各式各樣的光源像。這些光源像使膠片產生灰霧,總稱反射眩光。由光圈后面的鏡頭面產生的反射,只是膠片產生灰霧;由光圈前面產生的反射眩光,在與光源對稱的位置上形成光圈的形狀。

  幻像雖然多為模糊的影像,但如果它的焦點在離膠片近處聚結時也會產生明顯的形狀。
枕形畸變 (pincushion distortion)
  在正確的拍攝條件下,矩形物體的像仍應呈矩形。但有的鏡頭由于有缺陷,將矩形物體拍成四邊向內凹進形如枕頭的影像,稱鏡頭的這種像差為枕形畸變。相反如拍成四邊突出的影像即稱桶形畸變。

  枕形畸變又稱正畸變,是由于視場邊緣部分的放大率高于中心部分放大率所引起,即傾斜角度大的光線的放大率比傾斜角度小的光線的放大率高。
桶形畸變 (barrel distortion)
  在正確的拍攝條件下,矩形物體的像仍應是矩形。如將矩形物體拍攝成四邊向外凸形成桶形的影像,就稱鏡頭具有負畸變,或桶形畸變。相反如影像為四邊凹進,稱枕形畸變。

  桶形畸變又稱負畸變,是由于視場邊緣的放大率比中心部分低所引起的,即便縮小光圈也不能校正。
背光, 逆光 (back light)
  照明被攝體背面的光。

  采用逆光使對著鏡頭方向的被攝體前部光暗,拍攝人物時,輪廓清晰明顯,因此,全逆光又稱輪廓光或剪影光;半逆光稱倫勃朗光,是用于刻畫人物個性的強光。

  在進行逆光拍攝時須用鏡頭遮光罩,以免光線直接射入鏡頭。
聚光 (spot light)
  與散光相對,照射角度狹窄、集聚于局部的光線。

  照相館照明用的聚光,是在可變焦距式圓筒型燈箱前面裝設凸透鏡或弗倫克爾透鏡,用燈頭門調節聚光燈的光。
漫射光 (diffuse light)
  與聚光(spot light)相對,指廣泛均勻照射的光,雖然也有光源本身是漫射光,但可用不同的方法使光線成為漫射光。

  如,在光源前放置一塊漫射板可使光線柔化;也可用描圖紙罩在光源上;也可采用反射光進行漫射等方法。

  為了消除強的陰影,拍攝反射光強的被攝體,或拍攝肖像等柔感的照片時多采用漫射光照明。

  放大機也有漫射式或稱散光式放大機,適用于放大高反差的底片或有明顯傷痕的底片。
標準光源 (standard illuminants)
  國際照明委員會(Commission International l'éclairage,簡稱CIE)制定的作為測光基準的國際標準光源。

  A光源  2854K 鎢絲燈光標準

  B光源 4870K 帶黃色的直射日光標準

  C光源 6740K 日光標準

  注:B、C光源是在A光源上加戴維斯-吉布遜(DG)濾光鏡進行變換調節而制定的。
孔徑漸暈 (vignetting of oblique beams)
  傾斜射入鏡頭的光線,在鏡筒內產生的漸暈現象。漸暈隨著入射角的增大而增加。

  沿光軸正向射入鏡頭的光束截面呈圓形。但傾斜入射的光束,由于鏡筒、鏡框攔光的結果,其截面呈樹葉形(接近橢圓形),從而使畫面邊緣部分的照度大大低于中心部分的照度。照度的下降遵循余弦四次方定律。
邊緣照度 (corner illumination)
  又稱邊緣亮度。

  畫面邊緣的亮度無論用什么鏡頭,都比中心部分暗。打開光圈,從鏡頭正后方看時是圓形,從斜后方看時是橢圓形。鏡筒內裝幾個鏡片的復合鏡頭,畫面的邊緣部分,就如同從斜后方看圓筒一樣,光線是通過狹窄的橢圓形面積進入,因此與從鏡頭圓形面積進入大量光線的中心部分相比,光通量減少。根據朗伯定律,像面照度按入射角θ的余弦4次方的比例減少。實際上由于鏡筒的漸暈現象,邊緣照度還會更低。使用廣角和大口徑鏡頭時這一現象特別明顯。使用小光圈,中心照度與邊緣照度的差別不明顯。
反射光 (reflected light)
  與直接照射被攝體的直射光相對,經反光板、墻壁、天花板等周圍物體表面反射后再照射到被攝體表面的光稱反射光。

  直射光特強,反射光弱時,或直射光弱反射光特強時,照明的明暗反差強,所以調節好兩者的對比度,在照相中很重要。根據情況,有時也可全用反射光拍攝。通常,用照相館專用的閃光燈加上反光罩拍攝,柔和的光線,可使周圍不出影子,但適當地運用強光也是必要的。

  此外,通過鏡頭到達膠片上的光是照射到被攝體表面后反射過來的光。由于鏡頭的相互反射,或鏡筒里面、機身里面等消光不完全而產生的內部反射和光斑,會使膠片上形成灰霧。
彗差 (coma aberration)
  彗形像差。來自離軸物點的光線通過透鏡的不同區域成像時形成像彗星尾巴那樣擴散的模糊像。尾巴向外側的稱外彗差,向內側的稱內彗差。


彗差

  彗形像差的模糊斑點又稱彗差光斑。

  彗差大時,清晰度下降。大口徑鏡頭容易產生彗差,小光圈時產生彗差相對減少。
球差 (spherical aberration)
  光線透過球面透鏡所產生的成像誤差,單色光像差的一種。

  球面透鏡上,遠離光軸位置進入鏡頭的平行光線(邊緣光線、遠軸光線),入射角大,折射強,在光軸離鏡頭近處形成焦點;而離光軸近處進入鏡頭的平行光線(中心光線、近軸光線)折射弱,在光軸上離鏡頭遠處形成焦點。由于平行光束在光軸上前后分散形成焦點,形成了彌散光斑(一定直徑的模糊像),從而清晰度和解像力下降。


球差

  球差又可以分為正和負兩種:邊緣光線的焦點位于近軸焦點的左方(靠近鏡頭),球差為正(又稱球差欠校正);反之,位于近軸焦點的右方,球差為負(又稱球差過校正)。

  攝影時縮小光圈可減少球差對成像的影響。適當地選擇玻璃材料和球面的曲率半徑,用正、負透鏡組成消球差復合透鏡可消除球面像差。大口徑的攝影鏡頭,也可用非球面透鏡來校正球面像差。
像散 (astigmatism)
  物點離光軸較遠時,即使以細光束成像,也不可能會聚于一點,而是成為一彌散斑。對照相機鏡頭而言,若有斜光線進入透鏡,由于透鏡是球面,垂直方向射入的光折射強,在離透鏡近的一方聚焦后模糊前進。水平方向射入的光折射弱,在遠離透鏡的位置上聚焦。兩個焦點形成兩條相互垂直的線段(焦線),產生稱為切向像(或稱子午像)和徑向像(或稱弧矢像)的模糊像面。

  修正像散的透鏡,從像散的意義來講,稱消像散透鏡。

像場彎曲 (curvature of field)
  簡稱像曲,鏡頭的像差之一。平面物體經鏡頭形成曲面狀的像。

  假設鏡頭的球差和像散為零,從AB發出的平行光線在光軸上的F聚焦。而斜光線分別在A'和B'聚焦。A'、B'兩點通常比經過F且垂直于光軸的平面(理想像面)更接近于鏡頭。如將膠片置于理想平面上,則A'、B'處的清晰度將比F點低。當鏡頭具有像散時,以子午細光束和弧矢細光束之間光束最細處(稱為最小清晰圖)作為焦點面,所形成的像場一般也不是平面而是曲面。像散為零時,子午和弧矢的像場一致,但像場本身仍然可能呈現彎曲。如果鏡頭的像散不能完全校正,則校正場曲時一般使子午和弧矢像面對于理想像面大致對稱地分布。

 

焦點與焦距 (focal point, focal length)
焦點
(focal point、focus):

  對于一個理想透鏡而言:遠處的物體可以近似地看成時位于無限遠處。該無限遠處的物體上任何一點發出的到達理想透鏡的光線,可以看成是平行光。

  所謂“光軸”就是一條垂直穿過理想透鏡中心的光線。

  與光軸平行的光線射入凸透鏡時,理想的凸鏡應該是所有的光線會聚在透鏡后面一點上,這個會聚所有光線的一點,就叫做焦點。例如使用放大鏡將太陽光聚光后,形成最小點的就是焦點。

焦點一定在光軸上。



  在光學術語上,以透鏡為界:被攝物體所在的空間稱為“物方空間”;被攝物體所發出的光穿越透鏡在透鏡后面形成的像所在的空間稱為“像方空間”;在像方空間所形成的焦點稱為“像方焦點”或“后焦點”;反之,從像方開始,投射出與光軸平行的光線,并在透鏡物體空間所形成的焦點,稱為“物方焦點”或“前焦點”。



注意:對于凹透鏡而言,物方焦點與像方焦點的位置與凸透鏡相反

主點(Principal point):

  一個透鏡的軸向厚度與其直徑、物距、像距以及焦距相比顯得很小,就可以認為該透鏡是薄透鏡

  一片薄的雙凸透鏡的焦點距離,一般指鏡片的中心到焦點為止的光軸上的距離,這個鏡片的中心叫做“主點”。

  實際的鏡頭都是由數片凸透鏡和凹透鏡組合而成,無法直接分辨出主點的位置。



當焦點處于無限遠時,鏡頭主點到結像平面的距離 = 焦距


對于某種畫幅而言,標準鏡頭的焦距值約等于畫幅對角線長度,其主點的位置在鏡頭的光學組內

前主點/后主點(front principal point/rear principal point)

  如下圖所示,假設從 a 射入的光線,折射之后通過 n 和 n' 致到達了 b 。對于光軸而言,a-n與 n'-b 之間產生相似的角度,因此,在光軸上可以得出 h、h' 兩個交點。

  這兩個交點 h 和 h' 就叫做主點,其中 h 為前主點第一主點),h' 為后主點第二主點)。

前主點與后主點之間的距離稱為主點間隔



焦點距離(focal length)

  攝影鏡頭從后主點(h')到后焦點的距離就是焦點距離



  雖然鏡頭的種類不同,會有主點的前后關系位置相反,或者 h' 落到組合的鏡頭之外的現象發生。無論何種情況,從后主點 h' 到后焦點之間的距離,就是焦點距離。

  望遠型鏡頭和逆望遠型(retrofocus lens)鏡頭的后主點 h' 的位置,如下圖所示。



長焦鏡頭主點位置比標準鏡頭的更靠前,其主點位于鏡頭前組光學組外


廣角鏡頭主點位置比標準鏡頭的更靠后,其主點位于鏡頭后組光學組外

后焦距離(back focus)

  當焦點在無限遠時,鏡頭最后一片鏡片面的頂點到膠片平面在光軸上之間距離,稱為后焦距離

  單反機由于其工作原理,在動作過程中,反光鏡必須往上翻起。所以,后焦距離比較短的廣角鏡頭,反光鏡會碰到最后一組鏡片。所以,單反機用的廣角鏡頭,必須采用后焦距離比較長的逆望遠型鏡頭。
像差 (aberration)
  光學系統所成的實際像與理想像之間的差別。其原因為物點發出的光線,部分或全部遠離近軸區,光線與光軸夾角的正弦值不可能再用角度值(單位為弧度)代替而不產生誤差,因此實際光路與理想光路有所偏離,導致成像缺陷。

  像差有如下幾類:

  1、對單色光而言,有5種像差:球差、彗差、像散、像場彎曲和畸變。前4種像差使所成像模糊,后1種使所成像發生變形。

  2、色差:包括軸向色差和倍率色差。產生的原因在于光學材料的折射率隨波長而異,因而用白光或復色光成像時,各色光之間的路程會有差異。

  對上述各類像差應采用不同方法盡量消除,提高成像質量。
色差 (chromatic aberration)
  光通過透鏡時,由于各種色光的波長不同,所產生的折射程度也不一樣,同一點發出的光在膠片面上各自形成焦點,因而產生的成像誤差。

  平行光線產生的色差稱為軸向色差(axial chromatic aberration),又稱位置色差。白光成平行光線進入鏡頭時,由于波長短的紫或藍光折射強,波長長的紅光折射弱,從鏡頭出射在光軸上聚焦的位置,紫光在光軸的V點上,比紫光波長長的黃光在Y點上,紅光在R點上,在各自不同的位置上形成焦點。從而無法確定哪一點事真正的焦點。在由V到R的任何位置上放置焦平面,其他光都與焦點不吻合成為模糊像。這種像差即為軸向色差。一般,大口徑鏡頭容易產生這種像差,縮小光圈可減少軸向色差,使像質得到改善。

  斜光線產生的色差稱放大率色差(transverse chromatic aberration),又稱倍率色差或橫向色差。斜光線進入鏡頭,即使假設軸向色差為零,由于色光(不同波長的光線)形成的像大小(放大率)不同,而產生的焦點不一致的現象。由于波長的不同,像的大小差異,在影像上產生色的錯位,這種錯位稱放大率色差。斜光線即使通過的光圈孔徑縮成很小的光圈,放大率色差也不會減少。

  校正色差的透鏡稱消色差透鏡(achromat)。
透射光 (transmitting light)
  透過空氣或其他氣體、水或其他液體、玻璃或塑料等的光線。通過鏡頭或膠片的光也稱透射光。

  進入鏡頭的光,在空氣與鏡頭面的界面上一部分被反射,大部分透過鏡頭玻璃,只有極少部分被玻璃吸收。透過鏡頭的光從鏡頭出來時,又在另一個空氣界面上反射。每經過一個空氣界面,光量因反射約損失5%。三組鏡頭有六個空氣界面,入射光量因反射共約損失30%,再加上玻璃吸收,光到達底片面時,透過光量大約減少到60%。鏡頭鍍膜后,反射減少,透過光量可達90%以上。隨著鍍膜技術的進步,現在的鏡頭大約可達到98%的透射率。

  用T值表示鏡頭亮度的方法也是從按透射光量準確地表示亮度考慮的。用測定透過攝影鏡頭的光量來測定曝光量的TTL測光方式(內光式),要比曝光表受光面在鏡頭外的外光式測光,測出的曝光量更準確。

  彩色幻燈片是靠透射光欣賞,要比靠反射光觀察的彩色照片,顯得更加絢麗鮮艷。
畸變 (distortion)
  因垂直軸放大率在整個視場范圍內部能保持常數而引起的成像缺陷。具體表現為直線的成像為曲線。

由于是鏡頭的結構與光圈位置的關系而產生畸變,因此即使小光圈也無法消除畸變。對(兩面同方向彎成盤形的)凸彎月透鏡的凹面,如不設置光闌,不可能得到良好的影像,但光闌在透鏡的后邊時,正方形物體的像成為四周向里凹的枕形畸變。相反,光闌在前時正方形變成酒桶狀向外鼓出的桶形畸變。

  一般對稱型鏡頭的前組透鏡產生畸變而后組透鏡將其矯正,因此不會產生畸變。

  非對稱型鏡頭容易產生畸變,變焦鏡頭一般的傾向是,靠近廣角一側末端容易產生桶形畸變,靠近望遠一側末端容易產生枕形畸變。

  非球面鏡頭,隨著其它像差的校正,畸變也很容易校正。廣角鏡頭等產生的畫面歪曲變形,是由于透視的差異而產生的,不應與畸變混淆。

  畸變是細光束的像差,它并不引起光斑的彌散,只造成圖像形象比例的失真。一般視場角越大,畸變越難校正,廣角、超廣角鏡頭的畸變比較大。

  通常畸變在5%以內人眼不易察覺,超過10%就很明顯。某些廣角鏡頭的畸變可達20%~30%。
光譜曲線 (spectral curve)
  由于白光是各種波長的單色光合成的,各種光學參數隨波長的變化曲線稱光譜曲線。例如物體對各種波長的光的反射、透射所形成的反射光譜、透射光譜;感光材料對各色光的靈敏度所形成的光譜感光度等。上述各種參數作為波長的函數稱為光譜特性,可以用光譜儀等儀器準確地測定。

  通常橫坐標為波長,縱坐標以百分數來表示相應的光學參數。

  鏡頭的透過率光譜曲線表示鏡頭對各色光的透射效果,濾色鏡的透過率光譜曲線表示濾色鏡的透射光譜范圍。
光暈 (halation)
  在負片上成像光點四周形成的暈圈。因成像光透過感光層,散射并且又從片基反射回來而造成的。

  片基的折射率比空氣大,所以從片基背面射向空氣的角度(片基表面與光線之間的角度)有臨界角。比臨界角小的角度照在片基上的光全反射,產生光暈現象。臨界角度根據片基材料而不同。

  光暈與鏡頭無關,膠片片基越厚越容易產生光暈。
光滲 (irradiation)
  強光照在膠片上,感光膜中銀粒子的結晶表面產生亂反射,使附近的其它銀粒子感光,本應成為正常的影像產生變異,應該小的點變成大點,應該細的線變成粗線,這種現象稱為光滲。

  在弱光線下如果曝光時間過長也會產生光滲。

  光滲的產生與“光強度×曝光時間”有關。光滲嚴重時,影響影像的清晰度和解像力。

  微粒膠片不易產生光滲。用鍍膜鏡頭可減少光滲,但要避免曝光過度。
光軸 (Optical Axis)
  徑向對稱光學系統的對稱軸。焦平面固定的一般照相機,光軸通過畫面的中心。與光軸平行進入鏡頭的(平行)光線在光軸上的一點形成焦點。
鏡片鍍膜
  由于任何物體對光線都有反射作用,連無色透明的玻璃也不例外,差別在于光線的角度是否會形成反射效果。對于理想狀態下的鏡片而言,光線能夠完全透過鏡頭,并正確的在底片或 CCD 上完全聚焦。然而,事實上卻是,每一種鏡片都受到自身物理因素的限制,導致像差的產生,所以,由眾多有“問題”的鏡片所結合而成的鏡頭是不可能讓理論上所有各種角度的光線完全穿過。以氧化鑭光學玻璃為例子,其透光率可達到 90%以上,剩下的 10% 則會反射出去,形成炫光。為了彌補這項缺失,后來的鏡片研究者開發了在透鏡表面鍍上一層膜來增加透光效果。

  鍍膜能夠增加光線通過鏡片的通光量達到減少反射,最終減少由于多次反復于鏡片之間的光線而有效降低逆光下光斑的發生。當我們觀察鏡片表面時,能夠看到的顏色就是被反射回來的光線所至,一般來講,這樣的顏色越深,眼感上越暗說明反射越少,該種鍍膜越有效。雖然時下廣泛采用多層鍍膜工藝,但是由于變焦鏡頭的鏡片數量很多,對于抗光斑能力是極為不利的,而對所有的鏡片都采用鍍膜處理需要花費很高的成本。所以可以這么說,越是高價的變焦鏡頭,往往其成本的主要部分體現在對鏡片的處理上,其實施鍍膜處理的鏡片越多,鏡頭整體鍍膜效果越好。

  為了滿足各種攝影的要求,現代的鏡頭往往必需鍍上多層膜。這些膜的功用各有不同,大致可分為七大類:增透膜、反光膜、濾光膜、偏振膜、保護膜和電熱膜。 而現代的多層膜技術大致可追溯到 1971 年由 Asahi(PENTAX) 光學公司所開發的 SMC(超級多層膜)技術,在1971年時,應用這項技術的 Takumar鏡頭在許多攝影展上大出風頭。當時的 Nikon 已經具有 3層鍍膜技術,超過五層的鍍膜技術在理論上已經可行。日本的 Canon和德國的 Leitz(Leica 公司的前身) 也積極的發展類似的鍍膜技術,但極限 7層鍍膜瓶頸仍很難突破!另一方面,FujiFilm 則宣稱他們開發的電子波束鍍膜 EBC(electron-beam coating)號稱可達11層!直到 Asahi(PENTAX)發布SMC 技術后不久,FujiFILM 也很快的將 EBC 鍍膜技術導入攝影鏡頭的制造。

  Asahi的技術來源主要購自 OCLI(Optical Coatings Laboratories Inc.),其后他們以這項多層鍍膜技術為藍本,改良并發展為自己的技術并把成本控制在可以接受的范圍內。SMC 成為攝影光學的一個轉折點,它使得開發現代的超廣角鏡頭和超長變焦鏡頭成為可能。Asahi 技術的突破,讓許多主要鏡頭制造商,包括Canon,Nikon和Zeiss 都付授權費給Asahi使用部分或全部的技術。Asahi的成功,讓多層膜鏡片的命名有了新的變化:過去,SC 表示單層鍍膜,TLC 為雙層,SMC 為 PENTAX 技術的多層膜,其后還有 MC 多層透光膜和 SSC 的開發。富士則一直沿用 EBC 作為其商標。

鍍膜的色彩

  一般來說鏡片表面的鍍膜層本身是無色透明的。只有沒有透過鏡片的光線會被反射回來,形成人眼可見的反光。透過鏡片的光線越多,反光則越弱。不鍍膜的鏡頭,其鏡片的透光率比較低,鏡片表面的反光比較嚴重,對光譜中的各種光線都有較強的反射,因此反光的綜合色為白光;SC 單層鍍膜的鏡頭,其鏡片表面的反光較弱,大大增加光譜中部的黃綠光的透過率,只有光譜兩端的紅光和藍光才被反射,因此反光一般呈淡藍紫色;SMC 多層鍍膜的鏡頭,其鏡頭的透光率極高,鏡片表面的直接反光很弱,需要蓋上鏡頭尾蓋,正對著鏡片玻璃逆光觀看,從鏡片的側面觀察才可以看到彩色的反光,這種反光依不同廠家的鍍膜特性可分為深紅(增透藍光)、深藍(增透紅光)、深黃(增透藍綠光)和深綠色等。其中深綠色的鍍膜可以同時增加光譜兩端的藍光和紅光的透過率,只有光譜中部的黃綠色光才被反射回來,因此這種增透膜的透過率曲線有紅、藍兩個增峰值,有效的沿廣色域。考慮到如果所有的鏡片都鍍上同一種增透膜,則這個鏡頭必定會發生偏色。因此,每一個鏡頭的不同鏡片,都必須根據鏡片所用的材質及其對不同色光的吸收程度,分別鍍上不同特性的增透膜,相互搭配起來,才能使鏡頭總和的透光率增加,又能使鏡頭對色光的透過率達到平衡。
光學變焦 (Optical Zoom)
  相機依靠光學鏡頭結構來實現變焦,就是通過鏡片移動來放大與縮小需要拍攝的景物,光學變焦倍數越大,能拍攝的景物就越遠。

  光學變焦是通過鏡頭、物體和焦點三方的位置發生變化而產生的。當成像面在水平方向運動的時候,視覺和焦距就會發生變化,更遠的景物變得更清晰,讓人感覺像物體遞進的感覺。要改變視角有兩種辦法,一種是改變鏡頭的焦距,就是光學變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對位置來改變鏡頭的焦距。另一種是改變成像面的大小,即成像面的對角線長短。在目前的數碼攝影中,這就叫做數碼變焦。實際上數碼變焦并沒有改變鏡頭的焦距,只是通過改變成像面對角線的角度來改變視角,從而產生了“相當于”鏡頭焦距變化的效果。
色溫 (Color Temperature)
  色溫(Color Temperature)是衡量顏色的物理量,把“絕對黑體”加熱到某種顏色時所對應的溫度即色溫,單位是“K”(Kelvin) 。

  低色溫光源的特征是能量分布中,紅輻射相對說要多些,通常稱為“暖光”;色溫提高后,能量分布中藍輻射的比例增加,通常稱為“冷光”。一些常用光源的色溫為:標準燭光為1930K;鎢絲燈為2760-2900K;熒光燈為3000K;中午陽光為5400K;電子閃光燈為5500K;藍天為12000-18000K。
眩光 (Flare)
  使影像變淡,反差降低,清晰度下降的雜散光。往往發生在逆光照明的情況下。
光圈 (Aperture)
  光圈是照相機上用來控制鏡頭孔徑大小的部件,以控制景深、鏡頭成像質素和快門協同控制進光量。光圈越大,則單位時間里通過的光線越多,光圈越小則越少,從而影響到圖像的亮度。我們平時所說的光圈值f/2.8、f/8、f/16等是光圈“系數”,是相對光圈,并非光圈的物理孔徑,與光圈的物理孔徑及鏡頭到感光器件(膠片或CCD或CMOS)的距離有關。

  表達光圈大小用f值表示,光圈f值=鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑。也就是說同等焦距下,鏡頭口徑越大,f值越小(f值越小代表光圈越大)。
視角 (Angle of view)
  視角即鏡頭攝取景物的范圍。

  對于任何特定規格的畫幅來說,視角隨鏡頭的焦距而變化。其角度是從鏡頭與橫貫影像的對角線的夾角。
光學基礎知識:漫話 APO
  超長焦鏡頭中,APO鏡頭幾乎是高檔鏡頭的代名詞。APO,是英文Apochromatic的縮寫,意為“復消色差的”。所謂螢石鏡片、AD玻璃、UD 玻璃、ED玻璃,說到底,都是為了實現APO技術所用的特殊光學材料。 復消色差鏡頭,是指能對多種色光(超過兩種)消除色差的鏡頭。 消色差鏡頭(Chromatic)只能對兩種色光消色差。

  色散:光學材料的折射率不但與材料本身的物理性質有關,還與光線的波長有關。同一種光學材料,波長越短、折射率越高。具體講,同一種光學玻璃,綠光比紅光折射率高,而藍光比綠光折射率高。不同光學材料往往有不同的色散。如果一種材料隨著波長變化引起折射率變化很大,我們就說這種材料是“高色散”的。反之,則稱為“低色散”。一般用ne(材料對綠色的e光的折射率)表示材料的折射率,用阿貝數ve=(ne-1)/(nF-nc)表示材料的相對色散。阿貝數越高,色散越小。式中,第二個字母是下標,表示夫朗和費對應譜線的波長。F是紅光,e是綠光,c是藍光。每一條夫朗和費譜線都有固定不變的波長,因而成了光學設計中的標準波長。

  色差:從幾何光學原理講,鏡頭等效于一個單片凸透鏡。凸透鏡的焦距,與鏡面兩邊曲率和玻璃的折射率有關。如果鏡片形狀固定,那就只與制造鏡片材料的折射率有關了!由于光學材料都有色散,因此,同一個鏡片,對于紅光來說,焦距略微長一點;對于藍光來說,焦距略為短一點。這就叫做“色差”。

  有了色差的鏡頭,具體講有這么幾個缺點:

  1.由于不同色光焦距不同,物點不能很好的聚焦成一個完美的像點,所以成像模糊;

  2.同樣,由于不同色光焦距不同,所以放大率不同,畫面邊緣部分明暗交界處會有彩虹的邊緣。

  消色差:利用不同折射率、不同色差的玻璃組合,可以消除色差。例如,利用低折射率、低色散玻璃做凸透鏡,利用高折射率、高色散玻璃做凹透鏡,然后將兩者膠合在一起。為了使兩者膠合后仍然等效于一個凸透鏡,前者(凸透鏡)屈光度要大一些,后者(凹透鏡)屈光度要小一些。我們分析這樣的雙膠合鏡對不同波長光線的作用:對于較長波長的光線,由于凹透鏡材料色散大、也就是折射率隨著波長變化大,所以折射率比中間波長較小,凸透鏡起的作用大,雙膠合鏡長波端焦距偏長。對于較長波短的光線,由于凹透鏡色散大、也就是折射率隨著波長變化大,所以折射率較大,凹透鏡起的發散作用大,雙膠合鏡短波端焦距也偏長。最后的結論是:這樣的雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。很明顯,中間波長是一個谷,它的周圍焦距變化小多了!設計時合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料,可以使藍光、紅光焦距恰好相等,這就基本消除了色差。剩余色差對于廣角到中焦鏡頭來說,已經很小了,因此,也就滿足了鏡頭消色差的要求。

  二級光譜:未消色差的鏡頭隨著光線波長增加,焦距單調上升,色差很大。而消色差鏡頭焦距隨波長先減小后增加,色差很小。消色差鏡頭的剩余色差就叫做“二級光譜”! 二級光譜引起的不同色光焦距變化不可能小于焦距的千分之二,也就是說,鏡頭焦距越長,消色差越不能滿足要求。對鏡頭質量要求較高時,超長焦消色差鏡頭的二級光譜已經不可忽視!為了進一步消除二級光譜對鏡頭質量的影響,引進了復消色差技術。

  復消色差:可以想象,如果某種材料隨波長變化折射率的數值可以任意控制,那么我們一定能夠設計出色差處處完全補償、因而完全沒有色差的鏡頭!可惜,材料的色散是不能任意控制的,而且可用的光學材料也就那么有限的若干種!我們退一步設想,如果能夠將可見光波段分為藍-綠、綠-紅兩個區間,而這兩個區間能夠分別施用消色差技術,二級光譜就能夠基本消除!但是,不幸的是,經過計算證明:如果對綠光與紅光消色差,那么藍光色差就會變得很大;如果對藍光與綠光消色差,那么紅光色差就會變得很大!看起來似乎走進了一個死胡同,頑固的二級光譜好像沒有辦法消除!

  幸好理論計算為復消色差找到了途徑。人們發現,如果制造凸透鏡的低折射率材料藍光對綠光的部分相對色差恰好與制造凹透鏡的高折射率材料的部分相對色差相同,那么實現藍光與紅光的消色差之后,綠光的色差恰好消除!這個理論指出了實現復消色差的正確途徑,就是尋找一種特殊的光學材料,它的藍光對紅光的相對色散應當很低、而藍光對綠光的部分相對色散應當很高且與某種高色散材料相同!螢石就是這樣一種特殊材料,它的色散非常低(阿貝數高達95.3),而部分相對色散與許多光學玻璃接近! 熒石(即氟化鈣,分子式CaF2)折射率比較低(ND=1.4339),微溶于水(0.0016g/100g水),可加工性與化學穩定性較差,但是由于它優異的消色差性能,使它成為一種珍貴的光學材料!自然界能用于光學材料的純凈大塊螢石非常少,因而螢石最早僅用于顯微鏡中。顯微鏡物鏡雖然焦距很短,但由于像距很大、分辨率要求很高,二級光譜仍是個頭痛問題。自從螢石人工結晶工藝實現以后,高級超長焦鏡頭中螢石幾乎是不可或缺的材料,螢石鏡片幾乎成為高檔鏡頭的代名詞! 由于螢石價格昂貴、加工困難,各光學公司一直不遺余力的尋找螢石的代用品。氟冕玻璃就是其中一種。各公司所謂AD玻璃、ED玻璃、UD玻璃,往往就是這一類代用品。

  很明顯,由于復消色差材料價格昂貴、加工困難,成本非常高,所以只能用在高檔鏡頭上。相應的,這些鏡頭其它方面的設計也一定與其價格匹配,都是精益求精的。但是,如果有價格相對低廉的復消色差材料,即使性能差一些,也使它們能夠用在中檔鏡頭上,改善這些鏡頭的性能。但是,至少就么目前而言,中檔鏡頭是不可能使用螢石做消色差材料的!

  低色散玻璃:低色散玻璃產生的色差很小、因而消色差之后剩余色差也比較小,對鏡頭質量改善非常有益。同時,近些年來,一系列高折射率低色散玻璃(主要是鑭系稀土玻璃)的采用,鏡頭質量進一步提高。高折射率玻璃實現同樣的屈光度鏡片球面曲率較小,因而帶來的各種像差尤其是球面像差減小,使得鏡頭體積減小、結構簡化、質量提高。但是,它畢竟不能實現復消色差,無法消除二級光譜,不能與APO技術相提并論。
焦點、彌散圓、景深:概念與計算

  先介紹幾個概念:

  1、焦點(focus)

  與光軸平行的光線射入凸透鏡時,理想的鏡頭應該是所有的光線聚集在一點后,再以錐狀的擴散開來,這個聚集所有光線的一點,就叫做焦點。

  2、彌散圓(circle of confusion)

  在焦點前后,光線開始聚集和擴散,點的影象變成模糊的,形成一個擴大的圓,這個圓就叫做彌散圓。

  在現實當中,觀賞拍攝的影象是以某種方式(比如投影、放大成照片等等)來觀察的,人的肉眼所感受到的影象與放大倍率、投影距離及觀看距離有很大的關系,如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力,在一定范圍內實際影象產生的模糊是不能辨認的。這個不能辨認的彌散圓就稱為容許彌散圓(permissible circle of confusion)。

  不同的廠家、不同的膠片面積都有不同的容許彌散圓直徑的數值定義。一般常用的是:

畫幅
24mm x 36mm
6cm x 9cm
4" x 5"
彌散圓直徑
0.035mm
0.0817mm
0.146mm

  35mm照相鏡頭的容許彌散圓,大約是底片對角線長度的1/1000~1/1500左右。前提是畫面放大為5x7英寸的照片,觀察距離為25~30cm。

  3、景深(depth of field)

  在焦點前后各有一個容許彌散圓,這兩個彌散圓之間的距離就叫景深,即:在被攝主體(對焦點)前后,其影像仍然有一段清晰范圍的,就是景深。換言之,被攝體的前后縱深,呈現在底片面的影象模糊度,都在容許彌散圓的限定范圍內。

  景深隨鏡頭的焦距、光圈值、拍攝距離而變化。對于固定焦距和拍攝距離,使用光圈越小,景深越大。


示意圖1


示意圖2

  以持照相機拍攝者為基準,從焦點到近處容許彌散圓的的距離叫前景深,從焦點到遠方容許彌散圓的距離叫后景深。

  4、景深的計算

  下面是景深的計算公式。其中:

δ —— 容許彌散圓直徑
f —— 鏡頭焦距
F —— 鏡頭的拍攝光圈值
L —— 對焦距離
ΔL1 —— 前景深
ΔL2 —— 后景深
ΔL —— 景深

  從公式(1)和(2)可以看出,后景深 > 前景深。

  由景深計算公式可以看出,景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質的要求(表現為對容許彌散圓的大小)有關。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變):

  (1)、鏡頭光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;

  (2)、鏡頭焦距:鏡頭焦距越長,景深越小;焦距越短,景深越大;

  (3)、拍攝距離:距離越遠,景深越大;距離越近,景深越小。

  5、一些計算實例

網上有些在線計算器,有興趣的網友可以參考:
  攝影光學計算器

  Windows版本的可下載的計數器在f/Calc
  (1)、200/2.8對焦在5m時,f/2.8的景深:

  δ= 0.035mm
       f= 200mm
       F= 2.8
       L= 5000mm
       ΔL1= 60mm
       ΔL2= 62mm
       ΔL= 122mm
       結論:該鏡頭在用f/2.8拍攝時,清晰范圍是從4.94m~5.062m,景深很淺。

  (2)、200/2.8+2X=400/5.6對焦在5m時,f/5.6的景深:

  δ= 0.035mm
       f= 400mm
       F= 5.6
       L= 5000mm
       ΔL1= 30mm
       ΔL2= 31mm
       ΔL= 61mm
       結論:該鏡頭在配合2X增距鏡后,主鏡頭用f/2.8拍攝時,景深是(1)的一半。

景深的實際拍攝照片

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