镜头焦距和景深.docx

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镜头焦距和景深

1.镜头焦距是一个固定的物理尺寸，是多少毫米，就是多少毫米，100mm就是100mm，不会变成150mm，不会随着相机的画幅不同而改变；

2.相同焦距的镜头放在不同画幅的相机上，画幅越大，视角越大，画幅越小，视角越小；

3.相同画幅的机身，如果镜头焦距越长，景深越浅（短），焦距越短，景深越大（或者说越深、越长）。

要搞明白这些道理，首先要搞懂基本概念。

【下面先说说焦距、视角和画幅】

通俗地说，镜头焦距是指从镜头光心（单片镜头的中心或多片镜头的成像中心）到焦平面的距离。

焦平面是相机里的成像面或感光面。

这个感光面从早期使用的干板式玻璃片式的底板，到后来的软片式的胶片底板，一直发展到现在数码相机所使用的CCD、超级CCD或CMOS等感光器件。

这个成像面的尺寸规格就是我们所说的画幅。

通过上面的定义不难看出，镜头焦距实际上是一段距离长度，而且是一个不会改变的固定长度，是一个物理尺寸。

不论你的105mm镜头放在DX画幅的D300上，还是放在FX全画幅的D3上，这段物理距离都是固定的，没有发生任何改变。

发生改变的只是你的相机焦平面（即CMOS）的大小而已。

这个焦平面越大，视角也越大，也就是说所能容纳的拍摄场景越大，反之视角越小，容纳的场景越小。

换一句话说，同样的拍摄对象，使用同样焦距的镜头，当焦平面是全画幅时，感光面积大，所得到的拍摄对象就更全面一些，如果是DX画幅，感光面积小了，拍摄对象的四周的一部分被剪裁到画面外，因此得到的成像则就更局部一些了。

这是从相同焦距的镜头放在不同画幅相机的角度上说的。

下面我们换一种方法，看看用相同画幅的相机使用不同焦距的镜头是什么结果。

如果我们使用相同画幅的相机，不论是D3还是D300，在同样的拍摄距离，用100mm的镜头拍摄之后再用150mm的镜头拍摄。

我们会发现用150mm镜头拍摄时，只能拍到100mm镜头画面中的一部分。

结果和上面使用不同画幅相机一样，视角小了。

尽管两种拍摄条件不同，一个用全画幅＋150mm焦距镜头，另外一个是DX画幅＋100mm焦距镜头，但由于两者成像时的视角相同，结果被摄物体在画面中的大小比例便一样了。

因此，人们便发明了一种说明相同焦距镜头在不同画幅相机上使用的表述方法，即“相当于”三个字。

我们可以说，100mm的镜头放在D3上是100mm，放在D300上之后，就相当于150mm焦距（视角）。

注意：

这里说的是“相当于”，指的是视角效果，不是说镜头的100mm焦距变成了150mm，因为人们经常把括弧里面的“视角”两个字有意无意地忽略了。

更完整和更正确的说法就是，“100mm的镜头放在D3上是100mm，放在D300上之后，其视角相当于150mm焦距的镜头”，这种说法能清楚地说明问题的本质。

【什么是恒定光圈镜头？

】

曾经看到有的网友提问说：

恒定大光圈镜头怎么那么贵啊？

但永远是f2.8的光圈可怎么用啊？

这些问题听起来确实很恐怖，试想，如果你买了一辆车，哪怕档次再高，如果永远只能开一挡，那还怎么开呢？

提这种问题的人看来还是没有搞清楚基本概念。

首先，恒定光圈的概念是相对于变焦镜头说的。

有的变焦镜头非常便宜，比如不带防抖的70-300mm/f4.5-5.6才几百元钱，而有的变焦头则要上万，比如尼康新出的24-70mm/f2.8。

后者贵是因为后者是恒定大光圈，无论你将焦距调整到多少，都可以使用f2.8的光圈。

图样，佳能的24-105/F4镜头也是如此，无论是在24mm焦距还是105mm焦距，都可以使用f4的光圈。

而70-300mm/f4.5-5.6由于不是恒定光圈的，所以尽管你在相机里使用光圈优先，把光圈调整为f4.5，但只要你把焦距拉到长焦端，光圈就会变小了。

恒定大光圈镜头为了保持能够恒定使用f2.8的光圈，所以镜身一般很大，因此成本也高，所以价格自然就上去了。

【镜头的最佳光圈是怎么回事？

】

有的人曾经问我，你的照片怎么经常使用f5.6的光圈啊？

我回答说，f5.6是我那个17-55的镜头的最佳光圈。

然后，他又问，为什么不使用f22啊，不是光圈越小越清楚吗？

看来问这种问题的人是把景深和分辨率的概念搞混了了。

最佳光圈的意思是，任何一只镜头，无论是定焦还是变焦镜头，都有成像质量最好的那一档或若干档光圈。

在这一档或这几档光圈下，镜头的分辨率可以发挥到极致，即达到最大的分辨率。

最大分辨率指的不是前后清楚的围（即不是景深）。

普通镜头的最佳光圈往往在f5.6-f11的围，所以才有那种“f8下无狗头”的说法。

而高级镜头，即所为的“牛头”，其最佳光圈往往比较大，即使在全开的情况下，也可能很锐利。

这就是人们为什么要花高代价购买牛头的原因之一。

他们进牛头，除了焦外成像好看之外，同时也是为了追求大光圈下的高分辨率。

所以，这也是为什么我在用17-55时经常使用f5.6的原因。

有人曾经对大多数镜头的最佳光圈进行过如下统计：

***********************************************************************

F1.2－F1.4的标准镜头的最佳光圈为F4

F1.8－F2的标准镜头的最佳光圈为F5.6

F2－F2.8的定焦镜头的最佳光圈为F4－F5.6

F2.8恒定变焦镜头的最佳光圈为F5.6

F3.5－F5.6的变焦距镜头的最佳光圈为F8

F4.5－F5.6的变焦距镜头的最佳光圈为F8－F11

***********************************************************************

我不敢保证以上这些数据是否非常准确，仅抄录到这里供大家参考。

总之，无论是牛头还是狗头，好好研究一下它们的最佳光圈到底是多少对你拍片是十分有好处的。

光圈（Aperture）是一个用来控制光线透过镜头，进入机身感光面的光量的装置，以控制景深、镜头成像质素、以及和快门协同控制进光量。

对于已经制造好的镜头，不能随意改变镜头的直径，但是可以通过在镜头部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

平时所说的光圈值F2.8、F8、F16等是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，与光圈的物理孔径及镜头到感光器件（胶片或CCD或CMOS）的距离有关。

表达光圈大小用F值（光圈“系数”）。

光圈F值=镜头的焦距/镜头口径的直径。

要达到相同的光圈F值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。

这里值得一题的是光圈F值愈小，在同一单位时间的进光量便愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。

弥散圆（circleofconfusion）：

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆，也叫做模糊圈。

如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定围实际影象产生的模糊是不能辨认的，这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆（permissiblecircleofconfusion）。

景深（depthoffield）：

被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定围。

从焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。

景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离（物距）而变化。

对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。

当焦点设在超焦距时，景深会从超焦距的一半延伸到无限远，对一个固定的光圈值来说，这是最大的景深。

景深的计算：

超焦距或称泛焦距离，是一个和焦距与光圈有关的对焦距离，当镜头以这个距离对焦时景深最大、可以从相机和对焦点之间的某处（景深前缘）起延伸到无限远（景深后缘）。

如果镜头对焦在超焦距，则景深是从超焦距之半到无穷远。

超焦距通常最适用的是焦距短的广角镜头，原因就是景深与镜头焦距的长短是有关系的。

镜头焦距越短，景深越大；镜头焦距越长，景深越小。

一般地，使用超焦距还是在50mm以下的镜头比较好，到了85mm以上，它的景深围小，使用超焦距已经没什么意义了。

计算相机图像传感器分辨率以及镜头焦距

问题：

请问我如何确定使用了正确的镜头、焦距以及传感器分辨率（相机传感器CCD像素的行数和列数）？

关于真实世界中的情况，我已了解下列定义：

视场（FOV）-相机可以采集到的被检测区域

分辨率-成像系统需要复制出的物体细节数量

物距-镜头前端到被检测物体的距离

请参考下列图例：

解答：

为了获得精确的测量，您至少需要两个像素来表达您希望检测的最小特征。

请使用分辨率信息为您的应用选择合适的相机和镜头。

首先，需要决定您的图像采集系统所需的分辨率。

可以先用真实世界的度量单位测量您需要检测的最小特征的大小。

然后，传感器分辨率（S） =（FOV/分辨率）x2=（FOV/最小特征的大小）x2。

例如：

有一个传感器分辨率为640x480的相机，希望知道在任何方向上可以检测出的最小特征的分辨率。

因为要求测量不依赖于方向，因此取CCD尺寸参数中的短边，这里就是480；假设想捕获的FOV是100mm。

根据上式，能够检测到的最小特征尺寸是FOV除以传感器分辨率再乘以2（最小特征尺寸=（100/480）*2）。

这样可以计算出能检测到的最小特征尺寸就是0.42mm。

请注意这是一个大致的等式，没有考虑到镜头失真、具体的特征检测算法、以及是否采用亚像素精度。

然后，计算所需的焦距：

焦距xFOV=传感器尺寸x物距。

对于上述例子，如果要确定物距，先假设传感器尺寸是1/2"，镜头焦距是12.5mm，那么物距就是98mm（物距=（12.5*100）/12.7）。

请注意为统一单位要将1/2"换算为12.7mm。

出厂的镜头中，只有一部分具有标准焦距。

通常的镜头焦距包括6mm，8mm，12.5mm，25mm，以及50mm等几种。

一旦您选择了一个焦距接近您图像采集系统所需焦距的镜头，您需要调整物距以使被检测物体合焦。

 焦距较短（小于12mm）的镜头拍摄的图像会有明显的失真。

如果您的应用对图像失真比较敏感，请尽量增加物距并使用焦距较长的镜头。

如果您不便调整物距，您在选择镜头时就会受到比较大的限制。

宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的一种技术。

当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。

摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的动态围。

宽动态就技术言，不算背光补偿技术，有二种实现方式：

CCD+DSP技术和CMOS+DPS技术。

现在，CCD+DSP宽动态技术仍是主流应用技术，通常接触到的宽动态产品大多都是CCD宽动态。

CCD+DSP：

这种双曝光（或双快门）技术的核心是针对明暗反差较大的场景，摄像机先对明亮区域进行一次快速曝光，得到一幅亮部区域清晰正常的图像并存储到数据缓冲存储器中；然后再对场景中暗部区域进行一次慢速曝光，得到一幅暗部区域画面清晰的图像也存储到数据缓冲存储器中。

以上曝光完毕后，利用DSP特有的图像处理算法，将两幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，最后进行叠加合成并输出一幅明暗区域都清晰可见的图像。

CMOS+DPS：

DPS采用的是每一个像素单独曝光和ARM7控制技术，相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态围。

低照度摄像机：

可以在极其微弱的光照下工作的闭路电视摄像机。

照度是用Lux表示。

0Lux表示在没有光线情况下也能拍摄，一般摄像机大都在0Lux或者0.1Lux，照度值的大小是要看镜头的光圈大小（F值），F值越小所需的照度越低。

当Lux值在0.001的时候，基本已经达到星光级照度。

3A技术指的是自动对焦（AF）、自动曝光（AE）及自动白平衡（AWB）。

自动对焦算法通过既得图像对比度移动镜头使图像对比度达到最大，自动曝光算法将根据可用的光源条件自动设置曝光值，自动白平衡算法根据光源条件调整图片颜色的保真程度。