相機對焦原理(附景深與超焦距)

1、焦點 (focus)

平行光線射入凸透鏡時，理想鏡頭將所有的光線聚集在一點，這個點，就叫做焦點，焦點和鏡片光學中心的距離叫做焦距。過焦點後光線繼續以錐狀發散開來。

凸透鏡的成像公式是：

1/u+1/v=1/f

這是最基本的公式，u指物距，即物體到透鏡組中心的距離，v指像距，即成像至中心的距離，f指焦距。

有很多新手分不清「對焦」和「變焦」，因此「定焦鏡頭是否能對焦」這個問題在各大攝影論壇被問了無數次……事實上定焦鏡頭並不是什麼都固定的，只是焦距，也就是70mm-200mm，這個mm固定，也就是視野大小固定。就好像眼球一樣，雖然焦距是固定的17mm，但是仍然可以根據視物遠近對瞳孔後面的晶狀體厚度進行調整以保持視物清晰。

出現這個問題，我覺得主要還是因為中文翻譯不好（英語很明確），實在容易混淆。下面結合凸透鏡成像原理解釋幾個攝影中約定成俗的說法：

「變焦（Zoom）」一詞是指改變焦距f。只有變焦鏡頭的焦距才能被改變，定焦鏡頭的焦距是固定的。事實上，相機的鏡頭由多片凸透鏡和凹透鏡組成，但從成像結果來看，可以把這一組鏡片看成「一個」凸透鏡。這「一個」凸透鏡的焦距就是標在鏡頭上的諸如定焦的50MM。那麼變焦鏡頭比如18-55MM，怎麼回事呢，說穿了很簡單，就是改變這「一個」鏡頭裡某些鏡片的位置，達到改變這「一個」凸透鏡的「凸的程度」，也就是焦距f。變焦最直觀的體驗就是被攝物體在取景器裡被放大或者縮小了。

「調焦（Focus）」或「對焦」一詞習慣指改變像距v，也就是改變鏡頭光心到底片平面的距離。除了一些低檔傻瓜機鏡頭沒有調焦機構，不能改變像距外，所有鏡頭，無論定焦變焦，都可以改變像距。當我們轉動對焦環的時候，顯然是某組鏡片在前後移動，這組鏡片動了以後，這「一個」鏡頭的「光心」就動了，物距和像距自然就動了（事實上對焦的本意是改變像距，但是一般物距比像距大得多，因此物距變化可忽略不計。另外光心是指光學中心，重要概念哦~不是物理中心，也不是幾何中心。）對於變焦鏡頭，一旦其焦距固定在某個f值時，對焦過程和定焦鏡頭其實是一樣的。

「焦點對在xxx上面（Focus on xxx）」這個習慣說法（也即「合焦」），是指通過「調焦」，即改變像距v，使之與景物xxx到鏡頭的距離u、鏡頭焦距f，滿足成像公式 1/u + 1/v = 1/f，也就是景物xxx能在底片上清晰成像。

2、彌散圓 (Circle of Confusion)

又譯為：彌散圈、模糊圈等等

在焦點前後，光線從聚集到擴散，點的影象從圓到點（焦點），繼而有擴散到圓，這個焦點前面和後面的圓就叫做彌散圓。

如果此圓形足夠小，肉眼依然可被視為點的成像。這個可以被接受的最大直徑被稱為容許彌散圓直徑δ (Permissible circle of confusion)。

觀賞拍攝的影象是以某種方式來觀察的，人的肉眼所感受到的影象與觀看距離有很大的關係，如果彌散圓的直徑小於人眼的鑑別能力，人眼將感覺是清晰的。這時的彌散圓的大小就稱為容許彌散圓。

人眼在明視距離（眼睛正前方30釐米）能夠分辨的最小的物體的尺寸大約為0.125mm。蔡斯公司制定的標準時，選用了常用尺寸7吋照片（175×125mm）為依據計算，要求彌散圓只能在0.125mm以內，按此計算得到是圖像對角線長度的1/1730左右。所以蔡斯公司制定的標準就是彌散圓直徑 δ=1/1730 底片對角線長度。

不同的廠家、不同的底片面積都有不同的容許彌散圓直徑的要求。各廠家對於35mm照相鏡頭的容許彌散圓的取值並不統一（前提是畫面放大為5×7吋的大小，觀察距離為25~30cm）一般取值範圍是底片對角線長度的1/1000~1/1500左右。在這裡可以看出：景深是相對的，不是絕對的，和彌散圓直徑 δ的取值大小有著直接的關係。同時我們也可看出：彌散圓直徑 δ 的取值的大小和鏡頭生產廠商的技術能力有關。

一般常用的數值是：

畫   幅

24mm×36mm

6cm×9cm

4"×5"

容許彌散圓直徑 δ

0.035mm

0.0817mm

0.146mm

3、景深 (Depth of field)

在對焦時，通過鏡頭將在焦平面上清晰成像，而對焦點的前景和後景也在焦平面成像，只要它們成像的彌散圓等於或小於容許彌散圓直徑，我們將認為是清晰的，這樣影像就有一個的清晰的區間，這就是景深（下圖）。

從以上可知道，在焦點前後各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離我們稱呼它叫焦深，它和景深是相對應的。所謂景深即：在被攝主體(對焦點)前後，其影像具有的一段清晰範圍，這範圍內的景物在焦平面上成像，都在容許彌散圓的限定範圍內。

景深是隨鏡頭的焦距、光圈值、對焦距離的不同而變化。一般來說：

(1)、焦距短，景深大，
(2)、對焦點離遠，景深大，
(3)、光圈小，景深大。

以拍攝者為基準，從對焦點到近點的清晰範圍叫前景深，從對焦點到遠點的清晰範圍叫後景深。

4、景深的計算

從公式中可以看出，後景深 > 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。這些因素對景深的影響如下：

(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、計算實例

①50mm/f2.8

②50mm/f8

③105mm/f2.8

δ

0.035mm

0.035mm

0.035mm

f

50mm

50mm

105mm

F

2.8

8

2.8

L

3000mm

3000mm

3000mm

ΔL1

316mm

754mm

78mm

ΔL2

400mm

1518mm

82mm

ΔL

716mm

2272mm

160mm

從上表大致看出景深和焦距、光圈之間的相互的影響：

①50mm/f 2.8鏡頭，清晰範圍是從2.68m~3.40m，景深為0.72M
②50mm/f 8鏡頭，清晰範圍是從2.25m~4.52m，景深為2.272M。
③105mm/f 2.8鏡頭，清晰範圍為2.92m~3.08m，景深為0.16M。

6、景深表

使用景深計算公式，我們可以完整地計算一張景深表，供我們日常攝影時便查（因為計算較為繁複，你是不可能在現場臨時計算的），但是有的書籍中有是也提供現成景深表，下面就是書中提供的景深表，（這是尼康公司為尼柯鏡頭提供的）供大家參考。

景深表可以製成表格，也可以用其它方法製作。我按相機的鏡頭上常見的方法，根據計算，製作了一個轉盤式的景深標尺，用這個標尺，要比查表方便一些。各位可以下載(見：《景深計算盤》一文)，用厚一點的紙張列印出來，中心用一個小釘訂上，就可以使用了。

7、超焦距 （Hyperfocal Distance）

定義：在攝影鏡頭的焦距和光圈均已確定的前提下，能夠獲得最大景深時的攝影物距，稱為在這個焦距和這個光圈下的超焦距。

以上是超焦距的定義，看起來有些費解，另外，超焦距又有什麼用呢？為了說清楚，我就使用上面的景深標尺來講述一下：

圖一：這個景深標尺，我相信的一看就懂：目前對焦是在2M上，你看不同的光圈值兩邊各有一根指示線，這兩根線指示了該種光圈在距離2M時的，前景和後景的清晰範圍。比如：如果用了F=11的光圈，清晰範圍大約在1.5-3M。

圖二：這是鏡頭對焦在無窮遠的情況，如果照風景，用光圈F=16，你可以看到大約在4.5M以外都清楚。

圖三：圖二的這種對焦情況不是最好，因為這時的後景深就沒利用上。

如果我們對焦在4.5M上，這時我們可以發現仍然用光圈為F=16時，那就用上了F=16的後景深：

後景深指示線對在無窮遠上，這樣對焦既保證了無窮遠處的清晰度，而前景深指在2.2M處，清晰範圍比圖二前進了2M多，得到了最大的景深。

這就是「超焦距」對焦法，而4.5M這個對焦位置稱呼超焦距。

超焦距的方法在抓拍時常用，因為在我已知的範圍內（比如上面說的2.2M以外），就不用對焦了，抓了就照，可以搶時間，抓鏡頭，同時也保證了清晰度。所以新聞記者等是比較愛用的。

超焦距距離的計算比較繁，所以如果你的鏡頭上附有景深標尺的話，在對焦時將你選用的光圈值的後景深線對準無窮遠，就可以了，不必計算，使用也方便。這也是鏡頭上帶有景深標尺的一個很大的用途。

當然在沒有這個標尺時，我們最好藉助與景深表或轉盤式的景深標尺這個工具了。

來源：網絡

1、浙江藍海光學科技有限公司

光學鏡頭解決方案及生產製造，樓總：18826013676

2、深圳普力視拓科技有限公司

各類投影光機及鏡頭解決方案，孫總：[e-mail]

3、上海廣神電子有限公司

熱成像shutter，美國FLIR供應商，吳總：13501551929