LENS / OPTICS

鏡頭的原理

動手嘗試

01 / INTERACTIVE

正在載入三維光學模型。

鏡頭讓擴散的光線發生折射,重新匯聚到一點。針孔限制的是光線能夠通過的方向,鏡頭則是讓光線彎折並聚集。這個差異影響亮度、對焦與模糊程度。本頁可以自由改變焦距、光圈值與對焦距離,觀察影像如何變化。

焦距、光圈值、對焦距離與人物距離可以自由組合。在光線圖中,從人物上端發出的紅色光線與下端發出的藍色光線穿過同一鏡頭,上下互換後匯聚於成像點。偏離對焦時,可以看到光束在感測器之前交叉後重新擴散,或是抵達時仍在收攏的過程中。

鏡頭成像原理的3D解說

4:46 · 無音訊

以3D畫面追蹤反射光經透鏡折射、形成影像的過程,呈現樹木與山的對焦、光圈、焦距、成像圈與感測器的關係,最後比較陽光的針孔投影。

本影片無音訊。下方文字也說明了畫面的內容與變化。 閱讀正文解說

閱讀影片的文字說明

光線照到樹木表面的一點,再向不同方向反射。其中到達透鏡的部分會折射並匯聚。來自樹上各點的光線分別形成小的像點,這些像點共同組成感測器上倒立的樹木影像。

對焦在樹木上時,來自樹上一點的光線在感測器平面匯聚。遠山的光線則在感測器前交叉,隨後再次散開,因此山的影像模糊。圖中分別呈現樹木與山的成像位置,以及感測器平面。

感測器保持固定,透鏡移動,使山的成像位置與感測器重合。此時山的影像變得清晰,而樹木的光線在尚未匯聚時就到達感測器,因此樹上的一點形成較大的圓形模糊光斑。對焦會改變哪個距離的物體呈現清晰影像。

畫面將樹木與山的光線分開顯示,並縮小光圈。通過的光束變細後,失焦的一點在感測器上形成的模糊圓斑也變小。光圈改變的是允許通過的光線範圍,而非理想的成像位置。

焦距段落透過改變示意透鏡的曲率,呈現光線彎折、焦距、影像大小與取景範圍之間的關係。曲面越平緩,光線彎折的程度越小,焦距越長。這是光學關係的示意,並不表示真實變焦鏡頭中的玻璃會改變形狀。

視點在三維空間中移動,呈現樹上各點散出的光線,只有朝向開口的部分能進入透鏡。能夠呈現整個場景影像的圓形範圍稱為成像圈;影像不會以同樣的方式延伸到圓外。這個整體成像範圍,與描述單一像點模糊程度的彌散圓不同。

將長方形的感測器框疊在成像圈上,呈現只有框內的部分會被記錄。當長方形擴大到成像圈之外,四角會變暗。光路、透鏡移動、成像位置與模糊等,都採用便於觀察其關係的示意表現,並非真實相機的具體結構或尺寸。

最後從透鏡回到針孔:陽光沿直線穿過小孔,照亮箱子內部。太陽的方向改變時,被照亮的位置與表面也會改變。觀察的是投影在箱內的光。請勿直視太陽,也不要透過小孔看太陽。

02 / CONVERGENCE

鏡頭在聚集光線

物體上的一點會向各個方向發出光線。在這些擴散的光線中,只有到達鏡頭的部分被折射、改變方向,並重新匯聚於一點。這個點就是成像點。

針孔不讓光線彎折。小孔通過限制可以穿過的方向來形成影像,是篩選而不是聚集。因此針孔暗而鏡頭亮。同樣是“形成影像”,成立的條件卻根本不同。

穿過鏡頭的光線只有在滿足特定條件時才會匯聚於一點。偏離這些條件時,光線無法完全收攏,在平面上仍帶有寬度。這個範圍,就是失焦模糊的來源。

03 / FOCAL LENGTH

什麼是焦距

來自無限遠、近乎平行的光線穿過鏡頭後,會匯聚在其後方的一點。鏡頭到該點的距離就是焦距。50mm的鏡頭,平行光會在其後50mm處匯聚成一點。

焦距越長,同一被攝體成的像越大。長焦鏡頭能把遠處拍大,正是這個原因。但需要注意的是,改變焦距並不會改變透視關係本身。相機位置不變時,前後景物的比例關係不變,改變的只是取景範圍。

焦距也可以理解為鏡頭折射能力的強弱。短焦距使光線強烈彎折,長焦距則彎折得較為平緩。

04 / APERTURE

光圈值與光圈

光圈值是焦距除以有效口徑所得的數值。f/2.8表示有效口徑為焦距的1/2.8。數字越小,口徑越大,通過的光量越多。

在相同光圈值下,即使焦距改變,像面的亮度也大致相同。光圈值之所以被定義為焦距與口徑之比,正是出於這個原因——它是為方便確定曝光而設計的數值。

收縮光圈,也就是增大光圈值,會使穿過鏡頭的光束變細。細光束即使落在偏離成像點的平面上,擴散範圍也很有限。收縮光圈後看起來合焦範圍變寬,正源於這一幾何原因。

05 / FOCUS

對焦與彌散圓

被攝體距離改變時,成像點的位置也隨之改變。被攝體越近,成像點越向後移。而感測器或底片的位置是固定的,因此二者會錯開。

對焦就是讓成像點與成像面重合的操作。在一般相機中,移動的不是感測器而是鏡頭組。本頁的模型同樣如此:感測器固定,鏡頭組前後移動。

當成像點偏離成像面時,到達那裡的光束要麼尚未收攏成一點,要麼已經交叉並重新擴散。兩種情況下,它在成像面上都呈現為圓形的範圍。這就是彌散圓。彌散圓越小,該被攝體看起來越清晰。

06 / DEPTH OF FIELD

景深為什麼會變化

嚴格來說,成像點與成像面完全重合的只有某一個距離。但只要彌散圓足夠小,人眼就會認為它是清晰的。這個可以判斷為“清晰”的範圍,就是景深。

景深取決於光圈、焦距、被攝體距離,以及所允許的彌散圓大小。光圈越小、焦距越短、被攝體越遠,範圍越寬;反之,光圈越大、焦距越長、被攝體越近,範圍越窄。

也就是說,景深並不是鏡頭固有的性質,而是條件組合所導致的結果。在本頁開頭的模型中改變四個條件,所選被攝體的彌散圓直徑會即時變化。

07 / VS PINHOLE

與針孔的差別

針孔相機沒有鏡頭意義上的“對焦”。穿過小孔的光線不彎折而是直行,因此遠近的景物被同樣地投射。景深這一概念在這裡並不需要。

取而代之的是,孔徑本身決定了影像的柔和程度。孔徑大時,來自一點的光會到達像面上較寬的範圍,與相鄰的點重疊而模糊。縮小孔徑能讓影像更清晰,但進光量減少、曝光時間變長;孔徑過小時,衍射又會使影像變柔和。

鏡頭沿著“通過聚集使影像明亮清晰”的方向發展,針孔則沿著“通過限制使影像得以成立”的方向發展。這不是優劣之分,而是成像條件的設定不同。

拍攝 THE MOST BEAUTIFUL LIGHT NEXT TO THE DARK 所用的裝置
THE MOST BEAUTIFUL LIGHT NEXT TO THE DARK 輕量型相機 / 2014
THE MOST BEAUTIFUL LIGHT NEXT TO THE DARK,2014,作品圖像1
岡本明才的作品THE MOST BEAUTIFUL LIGHT NEXT TO THE DARK觀看作品

08 / REFERENCES

參考資料

延伸閱讀