透镜光学分析经典案例把镜头上半部遮住会拍到什麼.docx
- 文档编号:6529852
- 上传时间:2023-01-07
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:2.18MB
透镜光学分析经典案例把镜头上半部遮住会拍到什麼.docx
《透镜光学分析经典案例把镜头上半部遮住会拍到什麼.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《透镜光学分析经典案例把镜头上半部遮住会拍到什麼.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
透镜光学分析经典案例把镜头上半部遮住会拍到什麼
把鏡頭上半部遮住會拍到什麼?
前言
曾經看到網友貼出這樣的一道考題:
將鏡頭的上半部遮住,則底片上所形成的像為拍攝物體的下半部(真或假)
因為題目本身在語意與假設上有點含混,可能會造成應考人有不同的解讀或不同的意見,於是爭辯與筆戰在所難免,但問題本身的確十分有趣而且極有啟發性,所以本文打算就這個問題做進一步而且比較詳細的探討。
簡單的說法
首先,我認為出題者心目中的「鏡頭」應該是個薄凸透鏡,而且遮住鏡頭指的是拿個什麼物件(譬如一張黑紙)蓋在凸透鏡上。
在這個前題下,我們可以用相當簡單的光學知識得到「假」的結論。
下圖中L是透鏡,兩個F是焦點,O與I分別是被攝體與它的像;另外,圖中還用不同顏色的實線與虛線標出從O的頂點到I的頂點的成像光跡。
如果用B把鏡頭上半部遮住,B就擋住了經過鏡頭上半部成像的光跡,但是經過鏡頭下半部的光線仍然可以到達I成像,所以不會只拍到物体的下半部。
然而,因為入射光被遮住了一半,能夠到達底片上的光量只有原光量的一半,所以畫面比較暗。
爭論的起源
不過,不少人堅持「有圖有真相」,拿出作品反証上一段「假」的結論。
這些作品大致上是用黑卡拍的照片,用黑卡遮住畫面上半部來降低天空的曝光量,於是畫面上半部是黑的。
真相果真就大白了嗎?
沒有!
因為「有圖有真相」的「真相」與理論相互矛盾。
讓我也來做個實驗,也用相機鏡頭拍攝,如果都能得到一致的結果(也就是上半部是黑的),「真相」就是真相了,要不然尋求真相過程中所做的實驗必然有被忽略的因素。
我用的是望遠鏡頭NikonAFS70-300f/4.5-5.6GED,相機是NikonD50。
為了確保遮住鏡頭的位置一致,我使用CokinP系列的濾鏡座與鏡頭蓋,在拍攝時鏡頭蓋大約是在下面照片中的位置;另外,因為拍攝時是陰天有大風與陣雨,所以照片中的樹葉會隨風擺動略為模糊,但不會影響本主題的結論。
下面的照片是在70mm的焦距下拍攝的,鏡頭蓋的黑影在畫面的一半所在,沒有黑影部位(照片下半部)上方約1/3左右的區域比下方2/3來得暗:
下面的照片是在100mm的焦距下拍攝的,黑影的部份向上退縮到只有70mm時的2/3左右:
下面的照片是在135mm的焦距下拍攝的,黑影的部份再向上退縮到只有100mm時的1/3左右:
下面的照片是在200mm的焦距下拍攝的,真正黑影的部份其實已經退到畫面之外,只留下比較暗的部份:
最後,下面的照片是在300mm的焦距下拍攝的,不但黑影的部份、連較暗的區域都不見了!
這幾張照片說明了什麼「真相」?
為什麼黑影會隨焦距增加而慢慢退縮?
是實驗不對還是理論有問題?
答案是,理論是正確的,我們得要了解的是黑影是什麼、以及從何而來(也就是實驗時的控制參數),這就需要進一步的知識了。
複透鏡基本概念
攝影鏡頭使用多過一片透鏡,傳統的Gauss光學可以把用多片透鏡構成的光學系統濃縮成一個虛擬透鏡,並且大致上滿足單透鏡的公式。
雖然Gauss光學只有在靠近光軸時有正確的結果,但這已經足夠用了。
下圖L是個虛擬透鏡,它代表一個攝影鏡頭,O與I分別是被攝體與它的像。
透鏡L的光軸上有兩個極重要的點N1與N2,它們叫做節點(nodalpoint),通過這兩個節點並且與光軸垂直的平面叫做節面(nodalplane),在節點兩邊各有一個焦點F。
為何節點與節面重要?
從O頂端出發與光軸平行的光線從N1的節面進入系統,再在N2節面處離開,並且轉折到達N2右邊的焦點。
從O頂點出發經過N1左邊焦點的光線會與N1節面相交,從而轉折成與光軸平行,再從N2的節面離開系統、與上一道光線相交而成像。
從O頂點出發而到達N1的光線經轉折後在光軸上進行,到達N2後離開系統而轉折到I的頂點成像。
事實上,任何從O的頂點出發的光線到達N1的節面時都會被轉折成與光軸平行的光線而進入系統,當它到達N2的節面時會被轉折到成像的方向而離開系統。
所以,所有入射光經N1節面轉折後,在N1與N2之間的部份都是與光軸平行的!
由上圖可知,我們在高中或大學所學到的單透鏡理論是N1=N2下的特例;也就是說,我們把上圖的兩個節點(與節面)合而為一,就變成單透鏡理論了。
三個實例
讓我們看三個攝影鏡頭的實際例子。
下圖是Nikon的Nikkor-N24mmf/2.8廣角鏡頭的光學結構,圖中標出了節點H與H’,焦點F與F’。
這是一個傳統SLR廣角鏡頭的設計,右邊的節點與焦點在鏡頭後方相當距離,使反光鏡片彈起來時不會打到最後方鏡片。
不但如此,左節點H與左焦點F都在鏡筒內部。
雖然未必每一個SLR廣角鏡頭的設針皆如此,但大多數都使H與F在鏡筒內部,這叫做倒裝望遠(retrofocus)設計。
下面是Nikkor-S50mmf/1.4的光學結構,有意思的是H與H’兩個節點左右互易,而左焦點仍然在鏡筒內,但非常靠近第一片透鏡的表面。
一般而言,標準鏡頭的左焦點會在第一片透鏡表面附近,可能在鏡筒內、也可能在鏡筒外,依設計而異。
下面是Nikkor-Q135mmf/3.5,在這個(其實是Sonnar)設計中,左焦點F與兩個節點H與H’在鏡頭前方相當遠的所在,這是一個標準的「望遠」鏡頭的設計、用來縮短鏡筒的長度。
一般而言,SLR/DSLR廣角鏡頭的左焦點與左節點通常在鏡筒內部,隨著焦距加長,這兩者逐漸前移,到望遠鏡頭時兩者都會在鏡筒之外。
雖然我們只用了三個例子說明,但這是一般的趨勢,當然例外總是會有的。
真正的答案
有了這些知識之後,我們就可以回頭講遮住鏡頭一半的問題了。
請看下圖,圖中的L相當於兩個節面的部份,我把它簡化成一個透鏡。
如果阻擋物在鏡頭前方B1處,於是B1在透鏡L之下是個虛像,並沒有在底片上聚焦,所以拍不到影像,這一點與太靠近鏡頭的物体無法成像的道理相通。
其實,只要B1放在透鏡與左焦點F之間都會得到虛像,不會在底片上成像。
在左焦點F處的B2成像在無限遠,也不會在底片上出現。
一旦阻擋物移到焦點F之外(譬如B3處)就會得到實像,因而會在底片上記錄下來;如果是以O對焦,B3又在景深之內,底片上就有清晰的B3的像,如果B3在景深之外,底片上所記錄的就是B3模糊的像。
先考慮廣角鏡頭(見前面的圖)。
如果阻擋物在鏡頭前方,因為大多數SLR/DSLR廣角鏡頭的左焦點在鏡筒內,所以阻擋物在焦距之外,於是底片上會有它的實像,是故可以看到黑影的部份。
對標準鏡頭而言,如果左焦點在鏡筒內,結果如上所述,會出現阻擋物的像。
如果左焦點在鏡筒外、但阻擋物在左焦點的右邊,於是會產生虛像而不會在底片上成像,但因為擋住了一半的光線,到達底片的光量降低。
如果是望遠鏡頭,阻擋物極有可能在左焦點的右邊,於是結論如上。
以上面的Nikkor-Q135mmf/3.5為例,不論阻擋物是在兩個節點之間、或在右節點的右邊,都只擋住一半成像用的光線,底片上還是有被攝體的像,而阻擋物仍然是虛像、不會在底片上出現。
結論
所以,原題中的「遮住鏡頭上半部」是問題徵結所在。
在單透鏡場合,蓋在透鏡前面就是遮住光線。
但在攝影鏡頭的前提下,把黑卡放在SLR/DSLR廣角鏡頭前方會拍到阻擋物(所以答案為「真」);但在望遠鏡頭下很可能只造成較暗的照片而沒有阻擋物的像(所以答案為「假」);標準鏡頭就很難說了,可能是「真」也可能是「假」,依鏡頭的設計(也就是左焦點的位置)而定。
總之,除非確實掌握各個實驗的關鍵參數,有時「有圖」還不一定會有「真相」。
就這個問題而言,不論命題者原來的企圖為何,我認為他(或她)心中想的是單透鏡理論,而不是在考攝影光學,使用攝影的字眼可能是希望親和力高些,但卻引起了爭議。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 透镜 光学 分析 经典 案例 镜头 上半部 遮住 会拍到什麼