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焦距

时间:2012-08-16来源:shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

焦距focal length

焦距,是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中,从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。简单的说焦距是焦点到透镜的顶点之间的距离。
焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,视场角大,所观察的范围也大,但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大,视场角小,观察范围小,只要焦距选择合适,即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的,一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角,所以在选择镜头焦距时,应该充分考虑是观测细节重要,还是有一个大的观测范围重要,如果要看细节,就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面,就选择小焦距的广角镜头。
焦距
焦距

物理学中的焦距

如果你在相机的英文规格书上看过“f =”,那么后面接的数码通常就是它的焦长,即焦距长度。如:“f=8-24mm,38-115mm(35mm equivalent)”,就是指这台相机的焦距长度为8-24mm,同时对角线的视角换算后相当于传统35mm相机的38-115mm焦长。一般而言,35mm相机的标准镜头焦长约是28-70mm,因此如果焦长高于70mm就代表支持望远效果,若是低于28mm就表示有广角拍摄能力。
  “可对焦范围”则是焦长的延伸,通常分为一般拍摄距离与近拍距离,相机的一般拍摄距离通常都标示为“从某公分到无限远”,而近阶段设计的产品则往往还会提供近距离拍摄功能(macro),以弥补一般拍摄模式下无法对焦的问题。有些相机就非常强调具有支持1厘米近拍的神奇能力,适合用来拍摄精细的物体。
  焦距,也称为焦长,是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中,从镜片光学中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。
  相机的镜头是一组透镜,当平行于主光轴的光线穿过透镜时,会会聚到一点上,这个点叫做焦点,焦点到透镜中心(即光心)的距离,就称为焦距。焦距固定的镜头,即定焦镜头;焦距可以调节变化的镜头,就是变焦镜头。(当一束与凸透镜的主轴平行的光穿过凸透镜时,在凸透镜的另一侧会被凸透镜汇聚成一点,这一点叫做焦点,焦点到凸透镜光心的距离就叫这个凸透镜的焦距。一个凸透镜的两侧各有一个焦点。)
  光心(Optical center):透镜中的一个特殊点,凡是通过该点的光,其传播方向不变。
  我们用的照相机的镜头就相当于一个凸透镜,胶片(或是数码相机的感光器件)就处在这个凸透镜的焦点附近,或者说,胶片与凸透镜光心的距离大至约等于这个凸透镜的焦距。
凸透镜(convex lens)能成像,一般用凸透镜做照相机的镜头时,它成的最清晰的像一般不会正好落在焦点上,或者说,最清晰的像到光心的距离(像距)一般不等于焦距,而是略大于焦距。具体的距离与被照的物体与镜头的距离(物距)有关,物距越大,像距越小,(但实际上总是大于焦距)。
  由于我们照相时,被照的物体与相机(镜头)的距离不总是相同的,比如给人照相,有时,想照全身的,离得就远,照半身的,离得就近。也就是说,像距不总是固定的,这样,要想照得到清晰的像,就必须随着物距的不同而改变胶片到镜头光心的距离,这个改变的过程就是我们平常说的“调焦”。

焦距的近似值

  
焦距计算公式
在空气中的薄透镜,焦距是由透镜的中心至主焦点的距离。对一个汇聚透镜(例如一个凸透镜),焦距是正值,而一束平行光将会聚集在一个点上。对一个发散透镜(例如一个凹透镜),焦距是负值,而一束平行光在通过透镜之后将会扩散开。计算公式如上图。
工业镜头中,我们也经常选择不同焦距的镜头。这其中的焦距的大概计算如下图所示:
工业镜头焦距的近似计算
工业镜头焦距的近似计算

光学系统里的焦距

  焦距
焦距
  对厚透镜(厚度不能忽略的透镜),或是有好几片透镜或面镜的系统(像是照相机镜头或望远镜),焦距通常会以有效焦距(EFL,effective focal length)来表示,以与一般常用的参数有所区别:
  前焦距(FFD)或前焦长(FFL)是系统前方的焦点至第一个光学表面顶点的距离。
  后焦距(BFD)或后焦长(BFL)是系统最后一个光学表面顶点至后方焦点的距离。
  在空气中的一个光学系统,有效焦距是由前面和后面的主平面至对应的焦点的距离。如果周围的环境不是空气,则距离要乘上该物质的折射系数(Refractive index)。有些作者称这个距离为前(后)焦距,以与上面定义的前(后)焦点距离有所区别。
  通常,焦距或有效焦距是描述光学系统聚集光线能力的值,并且常被用来计算放大倍数。其他的参数则被用来计算一个特定对象的影像将会在什么位置上形成。
  对在空气中厚度为d,曲率半径为R1和R2的透镜,有效焦距为:
  焦距以最常见的标示习惯,如果第一个表面的透镜是凸透镜,R1的数值是正值,如果是凹透镜则是负值;如果第二个表面是凹透镜,R2的数值是正值,如果是凸透镜则是负值。要注意的是,即使如此,不同的作者仍可能会有不同的标示习惯。
  对一个球形曲率的镜子,焦距等于镜子的曲率半径的一半。凹面镜的焦距是正值,凸面镜的焦距是负值。
  物体到透镜中心的距离u 像的正倒 像的大小 像的虚实 像到透镜中心的距离v 应用实例 物距和像距的关系
  (u是物距 v是像距 f是焦距)
  u>2f 倒立 缩小的 实像 2f>v>f 照相机 u>v
  u=2f 倒立 等大的 实像 v=2f 可用来测量凸透镜焦距 u=v
  2f>u>f 倒立 放大的 实像 v>2f 放映机,幻灯机,投影机 u<v
  u=f 不成像 平行光源: 探照灯\
  u<f 正立 放大的 虚像 \ 虚像在物体同侧 放大镜\
  为了研究各种猜想,人们经常用光具座进行试验。
蜡烛的焰心,凸透镜中心,光屏中心应尽量保持在同一水平高度上。

摄影中的焦距

 当将摄影镜头调整到无限远时,其实是一个有名无实的焦距。在设计上,是将透镜的主平面与底片或成像传感器的距离调整为焦距的长度,然后,远离镜头的影像就能在底片或传感器上形成清晰的影像。当镜头要拍摄比较接近的物体时,是镜头的实际焦距被改变了。焦距通常使用毫米(mm)来标示,但仍然可能看见一些使用厘米(cm)或英吋标示的老镜头。视野的大小取决于镜头的焦距和底片大小的比例。由于最大众化的是35mm规格,镜头的视野经常是根据这种规格标示的。对标准镜头(50mm)、广角镜头(24mm)、望远镜头(500mm)视野都是不一样的。对数码相机上也是一样,它们的感光器比一般传统的35mm底片还要更小,所以相对的只要更短的焦距,就可以得到相同的影像。
镜头焦距与视角的关系
镜头焦距与视角的关系

镜头焦距

  焦距
焦距
  与人类的眼睛一样,数码照相机通过镜头来摄取世界万物,人类的眼睛如果焦距出现误差(近视眼),则会出现 无法正确的分辨事物,同样作为数码相机的镜头,其最主要的特性也是镜头的焦距值。镜头的焦距不同,能拍摄的景物广阔程度就不同,照片效果也迥然相异。如果您经常使用普通的35毫米相机,对相机的镜头焦距应该会有基本的认识,比如一般使用35毫米左右的镜头拍摄风景、纪念照,而用80毫米左右的镜头拍证件照所需要的“大头像”。与传统的相机相比,由于数码相机使用CCD感光器件,因而其镜头上标明的焦距通常是5.0毫米、10毫米等等,在普通的35毫米相机上一般都使用超广角或鱼眼镜头了,而数码相机厂家一般使用的镜头只是相当于35毫米相机的小广角镜头。我们不难看出,对于相同的成像面积,镜头焦距越短视角就越大;而对于同样焦距的镜头而言,成像面积越小, 镜头的视角也越小。35毫米相机的成像面积等于135胶卷的感光面积———标准的36×24毫米,数码相机使用CCD传感器代替了传统相机中胶卷的位置,它的面积却有好几种规格,从高档专业相机的18.4×27.6毫米到普通数码相机的2/3、1/2、1/3甚至1/4英寸各不相同。也就是说,同样的镜头,在有的数码相机上是广角效果,但在别的相机上可能就变成了标准镜头。看来,我们要依靠焦距值来区分数码相机镜头的视角是很不方便的,所以数码相机厂家通常都会提供一个容易比较的相对值,也就是标出与数码相机镜头视角相同的35毫米相机镜头焦距,这样的对应焦距值我们就很容易理解了。像富士MX-500的镜头焦距是7.6毫米,对角线视角70度,相当于35毫米镜头,是个小广角;富士的MX-600装有相当于35-105毫米的小广角变焦镜头。我们在评价与选购数码相机时,也只要参考换算到35毫米相机的镜头焦距就可以了,镜头具体的实际焦距是多少,与我们基本无关,您也无法去具体核算,其实数码相机的光学变焦的倍数就基本上能够反应这个指标,虽然不同型号的数码相机会有一定的差别,但差别不会太大,如果您不是很刻意的追求具体的相当于35毫米相机的对应焦距,参照数码相机的光学变焦的倍数,一般就可以了。
  也许有的用户对数码相机的镜头的实际焦距还是不很理解,因为如果是35毫米相机上的7.6毫米焦距,就属于极为罕见的鱼眼镜头,必然是体积庞大、价格不菲,而且拍出的照片畸变严重,有很强烈的透视感。但数码相机上的7.6毫米镜头也就是拇指大小,加上整个数码相机也比传统镜头便宜得多,虽说成像只用了中心的一小块,但一联想起夸张的鱼眼效果就让人对它的画质心里打鼓。实际上这种担心是不必的,35毫米相机的镜头口径很大,是为了保证画面周边的成像质量,而CCD的面积远小于胶片,要实现小面积的优质成像,只要很小的透镜尺寸就足够了。而且,实际上决定镜头结构的是它的有效视角,而不是简单的焦距值,数码相机上的7.6毫米镜头采用的是传统相机上35毫米小广角镜头的设计,而不是7.6毫米鱼眼镜头的结构。因此,数码相机镜头的焦距值与实际成像效果并无直接联系。由于透镜的体积小了,相对成本也降低了,反而可以轻松地实现较高的成像质量。

等效焦距

  数码相机因为其感光元件(CCD或CMOS)的尺寸是随相机的不同而不同(如有1/2.5英寸,1/1.8英寸等),所以同样焦距的镜头在不同尺寸感光元件的数码相机上,成像的视角也不同(具体见图)。举个例子来说,50mm焦距的镜头用在135胶片相机上,其视角大约是46度,而用在APS-c画幅(感光元件对角线长度是135胶片的2/3)的DSLR上(如nikon的D90、D300等),其视角就是大约30度。而这50mm镜头在APS-c的机器上的拍摄视角大概与75mm焦距的镜头在的135胶片机的底片上成像的视角相当,都是大约30度。
  所以仅仅以镜头的真实焦距,无法比较不同相机的拍摄范围(成像视角)。但对于用户来说,真正有意义的正是相机的拍摄范围(视角大小)。而由于一直以来大家通常以135胶片相机的镜头焦距来界定拍摄视角(135胶片相机的感光面是固定不变的),所以大家也习惯于将不同尺寸感光元件上成像的视角,转化为135相机上同样成像视角所对应的镜头焦距,这个转化后的焦距就是135等效焦距。

焦距转换系数

  比如,上述的50mm镜头用在APS-c的DSLR上,其135相机等效焦距为75mm。又因为75mm=50mm*1.5,所以这里的1.5就是所谓的“焦距转换系数”。
  135胶片相机都是使用上图中所示的35mm胶片,而数码相机的CCD/CMOS尺寸往往都相对较小。配合同样的镜头,数码相机的视角要比135相机小,视角的减小可以等同于焦距的增长(视角和焦距成反比)。
  有这样一个简单的方法计算数码相机的变焦系数。例如Nikon D80的CCD尺寸约为24mm x 16 mm,我们用35mm胶片的成像面的宽36mm除以Nikon D40(尼康D40)的CCD的宽24mm,得到的值就是变焦系数1.5。当我们把18mm的鱼眼镜头加在Nikon D40上时,这个鱼眼镜头的等效焦距就是18*1.5=27mm。
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