从凸透镜成像原理 浅谈焦距、光圈和景深
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[1 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-6-19 13:33
我试着分析一下,焦距和光圈与  弥散圈(好像是叫这个词吧,反正就是拍虚的物点,没有形成一个像点,而成了一圈光斑)半径的关系。

复杂的不会,镜头模型简化为一个凸透镜。

1、  凸透镜半径与弥散圈半径成正比

A点成像于屏幕a点。B点的像在b点在屏幕前,B发出的光经过凸透镜汇聚到b点,到达屏幕后,
是以a为圆心的一个圆饼,c是圆饼边界上一点。

因为三角形rob和cab相似,
所以弥散圈半径ac与凸透镜半径or成正比(不懂的话,把br和bo想象成钳子或者剪刀的两个手柄,abc是钳子口),
与ab/bo成正比。

1.1  凸透镜半径与光圈是什么关系?
光圈里常见的1.4大约是2的平方根。
光圈从1.4 增大到1,半径增大到1.4倍,进光量增大到2倍,
弥散圈半径到1.4倍,面积增大到2倍。

1.2  弥散圈和凸透镜成形状相似。

2、弥散圈半径与焦距的关系(仅近似分析物距很大的情况)

凸透镜成像公式,物距的倒数+像距的倒数=焦距的倒数。

广角情况:
假设Ao是50米,焦距20mm,像距ao大约也是20mm。
焦距不变,像点从A到B,
公式中物距的倒数,发生一个变化量 x=1/Ao-1/Bo。
像距的倒数,自然发生一个相同的变化量-x=1/ao-1/bo,x=ab/(ao*bo),ab/bo=x * ao

前面说过,弥散圈半径ac也与ab/bo成正比,即与 x * ao 成正比。

长焦情况:
假设Ao是50米,焦距200mm,像距a'o大约也是200mm。

所以弥散圈半径与像距成正比,当像距近似等于焦距的时候,就是和焦距成正比。

3、应用

半幅与全幅比较虚化

3.1 最懒人的处理就是,不考虑视角,
全幅50mm f1的镜头和半幅50mm (非等效焦距) f1的镜头的虚化是一样的,但后者是前者的裁剪。

3.2  
全幅:  50mm f4的镜头
Ao是50米,焦距50mm,像距ao大约也是50mm。(像的大小比物的大小,放大比是1/1000.)
像点从A到B,公式中物距的倒数,发生一个变化量 x=1/Ao-1/Bo。
像距的倒数,自然发生一个相同的变化量-x=1/ao-1/bo,x=ab/(ao*bo),ab/bo=x * ao

半幅:  25mm (等效50mm) f4的镜头
为了取得几乎相同的画面,
Ao应是50米,焦距25mm,像距新ao大约也是25mm。(放大比是1/2000.比全幅的像比例小了一半,正好半幅可以容纳)
由于ao的变化,x*ao小了一半。
所以弥散圈是全幅情况的一半。

半幅25mm (等效50mm) f2的镜头能和全幅那个虚化能力相当。

结语:

单位有科普开放日,前沿的研究根本无法科普,没参加。
喜欢器材,常见大底小底虚化能力的争论;
就用高中物理的知识,试着分析一下光圈和焦距对弥散圈的影响。
不论前沿的还是科普的,人无完人,都可能有错误。

参考:

http://baike.baidu.com/view/345373.htm?from_id=9802331&type=syn&fromtitle=%E5%87%B8%E9%80%8F%E9%95%9C%E6%88%90%E5%83%8F&fr=aladdin#5_2

规律1:当物距大于2倍焦距时,则像距在1倍焦距和2倍焦距之间,成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距,像比物小,物像异侧。应用:照相机、摄像机。
[12 楼] 中庸者王 [泡菜]
17-12-22 13:04
复习一下自己写的。

没记错的话,总结如下:

如果全画幅不把优势利用在增加像素上,只用来增加可用感光度上,那么感光度的优势,恰好可以相当于提高其光圈至两倍。
[11 楼] wyh0878 [泡菜]
15-3-13 15:27
太深奥了,表示看不懂,但好在不影响我拍照片
[10 楼] 中庸者王 [泡菜]
15-3-12 17:54
25  f1 的半幅m43镜头   vs   50  f2 的全幅镜头  
体积和价格一样,选哪个?

在各自机身上成像范围一样。
通光直径一样,像的总亮度一样。
前者的像是后者的1/4,单位面积亮度是4倍,它折射光线更厉害一些。
假设光感器像素数一样,全幅的单个像素面积是半幅的4倍。
同样快门时间,单个像素接受的光一样多,成像条件是一样的。
(当然,全幅需更高的iso,其实这里我就是在说明其ios理论上好两档。)

对我而言,决定选哪个的就是这些因素了。
全幅可以牺牲iso来实现更多像素。
同样多的像素时,半幅会不会因为像素之间过密,互相影响,噪点多。
哪个相机的大小、重量和握感更舒服。

这里,我没分析镜头和感光器分辨率因素。
另外,25镜头折射的更厉害,需达到更细致的分辨率,没考虑到其他因素,我认为它更难制造。

综上,
全幅的优势就是各种选择更多一些,可以选更多像素,可以制造更大光圈的。
似乎半幅只有机身小的优势,其他都有一点点受限,在此镜头对比条件下,iso和虚化都不是劣势;

引用自百度百科。

光圈值,是镜头的焦距/镜头通光直径得出的相对值(相对孔径的倒数)。例如针对50mm的标准镜头而言,最大的通光直径为29.5mm,其最大光圈的计算值为50mm÷29.5mm=F1.7,这样就能够理解同一变焦镜头在不同的焦距下,虽然最大的通光直径相同,但是换算之后其最大光圈是不同的。F值越大,光圈越小,反之,F值越小,光圈越大。”

本帖最后由 中庸者王 于 2015-3-12 17:57 编辑

[9 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-7-19 12:45
维达勋爵 发表于 2014-6-20 19:27
兄台的观点和我一致,有空请看看我的QQ日志,我在上面发了个关于清晰度的论文,不过还没全部完成,请提提意见,用户名就是我这个,一样的


不太好找。没搜到。
[8 楼] jq021702202 [泡菜]
14-7-19 12:38
中庸者王 发表于 2014-06-19 13:33
我试着分析一下,焦距和光圈与  弥散圈(好像是叫这个词吧,反正就是拍虚的物点,没有形成一个像点,而成了一圈光斑)半径的关系。

复杂的不...

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[7 楼] 维达勋爵 [泡菜]
14-6-20 19:27
兄台的观点和我一致,有空请看看我的QQ日志,我在上面发了个关于清晰度的论文,不过还没全部完成,请提提意见,用户名就是我这个,一样的
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[6 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-6-20 16:42
总结一下,
m43镜头,透视效果参考等效焦距,虚化效果看真实焦距。

透视效果主要取决于和被摄的距离,要得到同样范围的画面,等效焦距决定这个距离。

真实焦距50mm f1的m43镜头,虚化效果等同(当然成像范围减半)同规格的全幅镜头,也等同全幅上100mm f2的镜头,不论虚化还是透视。

本帖最后由 中庸者王 于 2014-6-20 16:47 编辑

[5 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-6-20 16:12
“100mm 焦距的视角是24度 (12度的正切 是0.212556562  ),50mm 焦距的视角是46度 (23度的正切 是 0.424474816 )。 ”

12度的正切 是0.212556562, 大约是底片边长的一半18mm 除以100mm。

把成像图画出来,就会看到两个相似的三角形。

一个三角形,是物这边的,底边是被摄入的物体范围(的直径或者边长,严格说),高是物距,有一个角的大小是视角。

另一个三角形,是像这边的,底边是底片,高是像距(约等于焦距),也有一个角的大小是视角=前面那个三角形的对应角,他们其实是两条相交直线的对顶角。

懂几何的可以推导出,

1.  视角的一半的余切值(正切的倒数),和像距(近似就是焦距)成正比。

2.  想拍下相同的画面,需要距离被摄物体的距离与焦距成正比。

3.  距离被摄物体的距离相同时,成像范围的边长与焦距成反比。

4.  视角随焦距的变化,在广角端较敏感,在长焦端不敏感。其实,视角不太重要,成像范围敏感性不变。

中庸者王 发表于 2014-6-19 13:38
转一个。写的挺差的。

原创:焦距等效焦距与透视之我见

2013-04-05 21:34:50

100mm 焦距的视角是24度 (12度的正切 是0.212556562  ),50mm 焦距的视角是46度 (23度的正切 是 0.424474816 )。

被摄区域是一个2米*2米的平面(实际我算的是它的内切园),分别要距离此面大约5米和2.5米。

比较三种情况:
1、 全幅(36mm×24mm)  100mm镜头  距离5米  (实际被我当成24mm×24mm的内切圆算了)
2、m43  (17.3mm×13mm)   50mm镜头  距离5米
3、 全幅(36mm×24mm)   50mm镜头  距离2.5米  
4、m43  (17.3mm×13mm)   50mm镜头  距离2.5米

由于物距比像距大很多,就把距离近似为物距。
像距与物距的比例 v /u,也就是像的大小和物的大小的比例(不懂的给我重学初中物理去) 分别假设是:
[4 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-6-20 15:49
Enol 发表于 2014-6-19 21:22
兄弟,你写的很好,可惜这些最基本的东西,却有很多看似NB的键盘摄影师都搞不清楚,在无忌上经常可以看到诸如“我就喜欢35mm的透视,所以无论大底还是小底机器我都用35mm镜头”、“E24是36mm的视角,24mm的透视”、“卡片机的镜头是专门设计的,所以卡片机上50mm镜头和全幅机上50mm镜头透视不同”等让人哭笑不得的发言。


谢谢。我都忘了第二个,关于透视的那个,怎么写的了,不好读,并且写的还是不够通俗,没人看。
[3 楼] Enol [泡菜]
14-6-19 21:22
兄弟,你写的很好,可惜这些最基本的东西,却有很多看似NB的键盘摄影师都搞不清楚,在无忌上经常可以看到诸如“我就喜欢35mm的透视,所以无论大底还是小底机器我都用35mm镜头”、“E24是36mm的视角,24mm的透视”、“卡片机的镜头是专门设计的,所以卡片机上50mm镜头和全幅机上50mm镜头透视不同”等让人哭笑不得的发言。
[2 楼] 中庸者王 [泡菜]
14-6-19 13:38
转一个。写的挺差的。

原创:焦距等效焦距与透视之我见

2013-04-05 21:34:50

100mm 焦距的视角是24度 (12度的正切 是0.212556562  ),50mm 焦距的视角是46度 (23度的正切 是 0.424474816 )。

被摄区域是一个2米*2米的平面(实际我算的是它的内切园),分别要距离此面大约5米和2.5米。

比较三种情况:
1、 全幅(36mm×24mm)  100mm镜头  距离5米  (实际被我当成24mm×24mm的内切圆算了)
2、m43  (17.3mm×13mm)   50mm镜头  距离5米
3、 全幅(36mm×24mm)   50mm镜头  距离2.5米  
4、m43  (17.3mm×13mm)   50mm镜头  距离2.5米

由于物距比像距大很多,就把距离近似为物距。
像距与物距的比例 v /u,也就是像的大小和物的大小的比例(不懂的给我重学初中物理去) 分别假设是:
1、 2x(实际上=24mm/2m), 2、x, 3、2x。
分别乘以物距5、5、2.5米,所以像距可分别假设是
1、 2y, 2、y,   3、y。
这也是镜头焦距的比例。

在1/u+1/v=1/f中,u太大,忽略掉,导致u约等于f。

(以上的过程有点像倒推,实际应该是从后向前一步步算出视角度数。)

透视这块不严格分析一下,不确信这样分析对不对。

假设这个平面上有个1米长的鼻子,三种情况下,像的大小分别是2x,x,2x。
假设在平面位置后0.02米处,有个1米长的脸。假设弥散圈远小于成像物体的像的大小,假设像距不变,只是物距多了2厘米。
三种情况下,像的大小分别是2x(5/5.02),x(5/5.02),2x(2.5/2.52)。

为什么不用ccd截图理论呢?
重新看2、3情况,同样的焦距,但是3为了得到更大的像,离物更近。
近似认为物距与成像大小成反比例。就像刚才 2.5/2.52 比  5/5.02 透视效果来的要强。

截图理论可用于3、4两种情况。
3是全身照,4就是从中截取的半身照了。透视效果是一样的。

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转载网上的几段话。第一段是问题描述,第二段是回帖中的回答,第三段是另一个网页上的相同观点。相反观点也有,没转。

“我们知道,NEX系统中的E24的镜头焦距是24MM,但用在NEX系统上需要X1.5,实际焦距与视角就变36MM
那么在实际拍摄中,镜头的透视、畸变(例如全画幅下24MM的焦距,会把MM拍成大鼻子)到底是24MM镜头的呢,还是36MM镜头的呢?(按全画幅的透视来估算)

再如 ,奥巴75MM,镜头焦距75MM,实际焦距与视角是150MM的
那么在M43系统的实际拍摄中,镜头的透视、畸变(例如全画幅下135MM以上的焦距,会把MM的脸拍胖,但75MM就正合适),这种感觉到底是75MM镜头的呢,还是150MM镜头的呢?(按全画幅的透视来估算)

非全画幅系统就是有这个疑惑啊!”

“N年前无忌就有指导文章了:
透视只取决于摄距 与焦段无关
http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1871
如果拍摄距离不变,选用不同焦距的镜头,是不能改变画面的透视,只能改变视角。”

“2.透视的问题。纽摄上告诉我们透视和镜头无关,只和你与被摄物体的距离和角度有关。只要你站在同一个地方朝同一个地方拍,那么透视就是一样的。你用广角镜头拍一张照片,把中间的一小部分裁剪出来,其透视效果和用长焦镜头直接拍摄是一样的。长焦只是用光学的方法进行画面的裁剪而已。画幅的变化也只是另一种画面的裁剪而已。有的人说我测试过把同样的镜头转接到半幅和M43上透视效果是一样的。我想说那是因为你站在同一个位置在测试,透视当然是一样的。”
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参见
http://www.douban.com/note/141533538/

http://zh.※※※※※※※※※.org/wiki/%E5%87%B8%E9%80%8F%E9%95%9C

物距:u      像距:v     焦距:f     关系:1/u+1/v=1/f
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我把镜头抽象成凸透镜了。