镜头焦距、光圈、物距与景深之间的关系
光学镜头选择时,景深是影响成像效果的参数之一,这里记录镜头景深的几个影响因素及之间的关系。
1 焦距
焦距是指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离,焦距大家都清楚,不再细说。
2 光圈
2.1 光圈
光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面光量的装置,它通常是在镜头内。进光量与镜头有效透光孔直径D的平方成正比,与镜头焦距f成反比,D与f的比值称为相对通光孔径,其倒数f/D,称为光圈数,也称F数。光圈F值越小,通光孔径越大,在同一单位时间内的进光量便越多。
光圈的作用在于决定镜头的进光量,F后面的数值越小,光圈越大,而进光量也就越多;反之,则越小。简单的说,在快门速度(曝光速度)不变的情况下,光圈F数值越小光圈就越大,进光量越多,画面比较亮;光圈F数值越大光圈就越小,画面比较暗。
2.2 摄影中的光圈设置
完整的光圈值系列如下:f/1.0,f/1.4,f/2.0,f/2.8,f/4.0,f/5.6,f/8.0,f/11,f/16,f/22,f/32,f/44,f/64,光圈的档位设计是相邻的两档的数值相差1.4倍(2的平方根1.414的近似值),相邻的两档之间,透光孔直径相差根号2倍,透光孔的面积相差一倍, 感光面上形成的影像的亮度相差一倍,维持相同曝光量所需要的时间相差一倍。
3 景深
景深可以简单理解为被拍摄物体在感光元件(胶卷、CCD、CMOS)上能够清晰成像的距离范围,在理解景深前,首先需要了解弥散圆概念。
3.1 弥散圆
焦点为光线聚集最紧密的位置,在焦点的前后,光线开始扩散,原来的一个点,就形成了一个扩大的圆斑,这个圆叫做弥散圆,根据人眼的鉴别能力,一定范围内扩散的弥散圆,人眼是不能分辨的,或者认为是可接受的,即依然认为是一个点,此时的弥散圆称为容许弥散圆。
3.2 景深
如下图所示,沿光轴方向物方,焦点的前后,各有一个容许弥散圆位置,这两个位置之间的距离就叫做景深,位于这个范围内的被摄物,成像后就被分辨为(或接受为)清晰的。弥散圆所在位置分别称为近点和远点,与物方焦点的距离,分别称为前景深和后景深,后景深大于前景深。
3.3 景深计算公式
参考上图,景深计算公式如下:
景深还有个近似计算公式,更加直观,见以下所述。
4 焦距、光圈、物距与景深之间的关系
下图比较清晰地总结了影响景深的参数,其中说明了景深的近似计算公式:DOF≈2CNU2/f2,以此公式,即可得到各种成像参数对景深的影响,以下描述中:DOF——景深,C——容许弥散圆直径,N——光圈F值,U——景物对焦距离,f——镜头焦距。
4.1 景深与光圈
景深与光圈近似成反比关系,即光圈越大,景深越小(光圈越大,F值越小,进光量越多,有效孔径越大,景深越小)。以下两图说明了此关系。
4.2 景深与焦距
景深与焦距f的平方近似成反比关系。即焦距越长,景深越小。而且由于平方关系,所以焦距f对景深的影响比光圈N更大;
焦距与景深的关系不太好理解,网上能解释清楚的除用光学专业知识外,其他的基本就以上一句话,所以找了以下的一个图,借此来理解。
4.3 景深与物距
景深与被摄物距离U的平方近似成正比关系。即物距越大,景深越大。同样,由于平方关系,景物距离U对景深的影响也比光圈更大。
当物距远到一定程度后,在一个特定的物距之后一直到无穷远都可以清晰成像,称为超焦距,见下图。
5 参考
https://graphics.stanford.edu/courses/cs178/applets/dof.html
https://blog.csdn.net/qq_18286879/article/details/77981341
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