摄影基础知识--带你系统了解镜头原理（上）

zhou18

按了好几年快门，拍了那么多照片，回头来看，还是得问问自己，关于摄影的原理，你又真正掌握了呢？你真的懂你手中的镜头吗？它是否真正成为你创作好帮手了呢？要知道理论基础决定上层建筑，透彻的了解了摄影的基础知识，有助于充分发挥手中万元设备的价值，下面，就给大家系统的介绍一下镜头的原理，耐心的看过之后，你一定会有收获。

　　从针孔到镜头

　　光的反射和发散时而像射线时而像波浪。从任何场景中的所有点发出或反射的光线都散向四面八方。影像的形成，并不需要从一个点或一个物体反射出的全部的光，而需要从中有所选择。

　　当一个物体反射的光遇到一个带有小针孔的阻挡物时，如下图所示，从每个点传出的光大部分遇到阻挡发生偏转。少量从物体处反射的光线通过针孔并以直线传播，当它们到达一个平面（像是相机背部的胶片）上时，将会形成一个图像。图像将旋转颠倒。拍摄对象顶部的一切出现在图像的底部，底部的一切出现在图像的顶部。同样，原本在左边的出现在右边，原本在右边的出现在左边。

为了达到这样的画面效果，相机的透镜被替换为一个被微小的针孔刺穿的薄金属圆盘，大小相当于f/182 的光圈。光从主体发出，每个点只有少数光线通过微小的开口，形成一个柔和的相对清晰的照片。因为针孔的尺寸小，所以曝光时间达到6 秒。

使用针孔作为镜头的弊端在于其微小的开口。它只能允许极少量的光线通过，以致于要想在胶片或传感器上形成影像需要非常长时间的曝光。如果小孔被放大，曝光时间会变短，但同时图像也会变得不够清晰，如下图所示。

当针孔的大小增加至f/65，结果是只需要1/5 秒的曝光，但是图像会极度失焦。较大的孔让主体上的点发出的光线更多的通过。这些射线在到达感光表面之前广泛传播，使光线圈彼此重叠，形成一个非常不清晰的图像。

针孔虽小，仍能允许小簇光线通过。这些光线从细微不同的角度产生，通过小孔继续在细微不同的方向上传播。因为它们发散出来，所以当它们接触一个表面（如胶片）时，从被摄主体某个点发出的射线形成一个微小的，模糊的圆形，而不是一个点。当孔的大小增加，更大簇的光线通过胶片或传感器，形成一个更大更模糊的圆圈。这些圆圈相互重叠，使得每个圆圈变得更大，画面也变得更模糊。

镜头将通过一个相对较短的曝光形成一个清晰的图像。为了获得清晰的照片，一个小点的形象也应该是一个小点。但摄像机上的针孔是无法实现这一点的。即使是再微小的开口，允许少量光通过，进行较长时间的曝光，也不会形成一个非常清晰的影像。为了让更多的光通过，并形成清晰的画面，相比做出最小的针孔，我们需要不同的方法。这就是镜头所提供给我们的。

这次，用一个光圈f/16 的简单凸透镜，画面比用较小针孔拍摄的更清晰，并且曝光时间要短得多，仅为1/100 秒。镜头打开时比针孔大很多，能让更多的光线通过，它能使拍摄对象各个点发出的射线精确地聚焦，进而使照片显得非常清晰。

一个复合镜头，如下图所示 ，通常是由六个或八个单独的镜头组成。每个透镜被添加以纠正一些像差（聚焦缺陷）。此镜头六个元件被分成四组。每个元件是一个两面都弯曲或一面弯曲一面平滑的简单透镜。每组可能由一个单独的元件构成，例如（a）或（d），或者它可以是胶合在一起的两个或多个元件，如（b）和（c）所示。

镜头像差在数学上是可以预测的，其中的一些明显缺陷可以在照片形成后被数字性去除，但使用一个精心设计的镜头永远是好的开始。

大多数的摄影镜头都采用凸透镜。凸透镜中间厚边缘薄，它从透镜前面的物体上的任何一个点收集大量的光线，并进行折射或弯曲，使它们彼此靠近，最终在透镜后汇集到相应的单点（图解见下图）。画面中的每一点（物点）对应透镜后面的一个点（像点）。相机中的胶片条被伸平（或者有一台平的数字式传感器）在图像平面上，有时也被称为胶片平面。场景中相应物体平面上所有的点都将汇聚到该表面上，因此拍摄在该平面上的图像将变得清晰。

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光线穿过四个玻璃块的图解很好地解释了折射的工作原理。光线从左边进入，穿透第一块玻璃块（1）直线传播。下一个玻璃块（2）被成角度地放置，使光线被弯曲，但是当它们从玻璃块射出时再次弯曲以恢复成之前的方向。第三块（3）的凹面将光线分散，但最后的玻璃块（4）是一个类似相机中基本聚光透镜的凸透镜，它将光线重新汇聚到一起，使它们在焦点处汇聚。

一个镜头如何通过折射（弯曲）光线形成图像？当光线从一种透明介质，如空气，进入另一个不同的透明介质，例如水或玻璃，光线将发生折射或弯曲。观察一个一半浸入一杯水中的汤匙，你会看到一个常见的折射例子：从勺子上反射的光线会被水和玻璃弯折，因此勺子浸入水中的部分会出现部分移位。

要想发生折射，光必须以一定角度射入一个新介质。如果光线是垂直于表面射入，射入和射出介质时，光线将直线通过。但是如果它们成斜角射入或射出，光线将被弯曲成可预测角度。入射角越大，弯曲程度越大。

当光照射在具有弯曲表面的透明介质上，例如透镜。光线将根据在透镜表面射入射出的角度

不同被弯折成许多不同的角度。它们将由凹面分散传播并通过凸面汇聚靠近。光线从物体上一个点产生通过凸透镜（最简单的相机镜头的形式）彼此相向弯折，最终被聚焦在图像点上。

镜头焦距

镜头之间最大的区别在于它们的焦距。因为你最有可能使用可以更换镜头的相机，所以你也可以选择购买或使用一个或几个镜头。镜头往往是用它的焦距（ 一个50mm镜头，一个0.3米的镜头）或其相对焦距（正常，长或短）来描述的。从技术上来说，焦距是当镜头聚焦在无限远时，镜头的背面结点与聚焦平面之间的距离。从理论上讲，无限远是无法衡量的远距离，超越了宇宙的边缘。在摄影方面，无限远是平行光线进入镜头的距离。镜头设计者将光线汇聚所在的镜头后部的图像点称为焦点。

　　焦距控制放大率和镜头形成的图像的大小。较长的镜头，投影在胶片或传感器图像中的对象的大小更大（参见下方图解）。

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短焦距镜头使光大幅弯折。 光线聚焦在镜头后面较近的位置，形成一个拍摄对象的小影像。

　　长焦距镜头比短焦距镜头的光线弯折度小。焦距越长，光线弯折度越小，光线聚焦形成图像的位置距镜头越远，形成的影像越大。图像的大小与焦距的大小成正比。如果保持拍摄对象距镜头的距离相同，一个50mm镜头形成的图像将是一个25mm镜头形成的图像的两倍大。

　　焦距也控制视角，控制在给定大小的传感器或胶片上显示出的画面的量。长焦距镜头相比于短焦距镜头，成像更大。其结果是，在给定尺寸的传感器或胶片上，较长焦距镜头拍摄出的画面少。如果你用拇指和食指摆一个圆圈，并接近你的眼睛，你会看到你眼前的大部分画面，与短镜头类似。如果你将你用手组成的圆圈撤远，效果类似于长焦镜头，圆圈内将出现较少的画面，从你的手指组成的圆圈中看到的视角变小。同样的，越长的焦距，你从镜头中看到的视角越小或越窄。

　　在保持镜头到拍摄对象的距离一定的情况下增大焦距，其效果是图像放大，倍率增加，而视角减小。因为摄影者的位置不变，所以场景内拍摄对象大小比例保持不变。下图显示的是一些可以被用在35mm或“全画幅”数码相机上的不同焦距镜头的视角。这个镜头焦距就是其他数码相机的初学者们经常说的“35mm等效”。

　　镜头焦距——正常焦距

　　一个正常焦距镜头也被称为标准焦距镜头，和人眼所观察的视角大致相同。最伟大的现代摄影师之一：亨利. 卡蒂尔.布列松将相机形容为“我眼睛的一种扩展”，他经常使用正常焦距镜头。他照片中所包含的画面就好像你身临其境观察到一样，他的作品的视角自然，远处与近处的拍摄对象大小比例协调。

　　一个相机上的一个正常焦距镜头可以作为另一个相机的长焦距或短焦距镜头。传感器或胶片尺寸的大小决定着相机的正常焦距。尺寸越大，该规格的正常焦距越长；它大致符合传感器表面或每帧胶片的对角线长度（见下图）。

　　一个使用35mm胶片的相机以50mm镜头作为一个正常焦距镜头，这也是一个24×36mm（全帧）数字传感器的正常焦距镜头。对于使用4×5 英寸胶片的相机，150mm 镜头是正常焦距。大多数数码相机的传感器是小于35mm胶片帧的，所以它们的正常镜头焦距是小于50mm 的。当然，这些规则是灵活的，例如，40mm～58mm镜头都可作为35mm相机的正常焦距镜头。

　　正常焦距镜头相较于更长或更短焦距镜头有一定优势。大多数正常焦距镜头更快，即相同时间它们能够将光圈开得更大，所以它们可以使用更快的快门速度，或者在更加暗淡的光线下进行拍摄。它们往往更便宜，更紧凑，重量更轻。

　　焦距的选择是一种个人偏好。有些摄影师习惯性使用短焦距镜头，因为大部分时间他们想要一个宽视角；另一些人喜欢更长焦距镜头，通过缩小视角突出一个场景中的主体对象。如果你不确定自己的偏好，从一个正常焦距镜头开始吧。

　　一个给定焦距镜头可能正常，短或长，这取决于你正在使用的胶片或你的数码相机的传感器的尺寸大小。如果一个镜头的焦距与光敏表面的对角线长度相当（图中虚线所示），我们可以认为这是个“正常”焦距镜头。它大约从50°视角中收集光线。

　　右边的照片是使用一个4×5 英寸相机150mm镜头拍摄的。4×5 英寸胶片的对角线长度约为150mm，所以一个150mm 镜头对于该尺寸胶片是正常焦距镜头。

　　但150mm 比35mm胶片帧或相同尺寸的传感器（称为全画幅）对角线更长。150mm 的镜头对于这类相机是一个长焦距镜头，因为大多数数字传感器要小于35mm 胶片帧，150mm对于大多数数码单镜头反光相机是很长的（见下图）。

　　使用正常焦距的镜头是摄影师表达主观感受的一种方式。广角镜头和长焦距镜头强调的是摄影师的技术，其中涉及如何选择透视关系与景深。