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【转载】摄影光学原理  

2014-10-22 16:54:40|  分类: 摄影天地 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自wuwei1101《摄影光学原理》

乐高针孔的摄像头andeecollard的Flickr照片流。(CC BY-SA 2.0)

在努力学习如何拍摄出美丽的照片,我的家人和朋友,我已经花了6个月的学习,尽我所能对摄影的。正如你可能想象的,基本是不够的geekmom,所以我挖的摄影背后的科学原理。

在接下来的几个星期中,我想分享一些经验教训,处理与摄影要领,一些背后的科学原理的图像,并有可能使你的照片更容易或更好的产品。第一课将处理光的基本性质和最基本的方法来捕捉光线。未来的课程将谈论三角曝光:光圈,快门速度和ISO。

光无处不在,即使在最黑暗的凹槽的空间。有几个基本的光属性是非常重要的摄影师要记住,而他们正在撰写的场景。这些原则很简单,并且很可能是您学习了他们的基本高中理科班。


如果它反映的东西,如果我们直接在原始来源,只能看到光。
光可以反射(反弹),或在可预见的方式折射(弯曲)。
确定的金额,光会散射反弹后的表面粗糙度。
白光是由所有的可见色彩的组合。
测量光通过其能量水平或波长。不同的颜色来表示由它们的波长。
阴影时,会出现一些光源和自己范围内的直接路径。
人类的眼睛是令人惊讶的多功能适应不同的亮度水平,更有效,那么,即使是最先进的相??机。

来自太阳的光变成漫射光时反弹的对象。


摄影的基本思想是转向灯成图像。当然,在理论上,创造一个形象是很容易的。然而,在实践中,摄影的艺术和科学的是看你的预测对焦,亮度和景深的图像。图像实际上是一种错觉,表示某人或某事的外在形式。所以,问题是:我们该如何转成可识别的图像随机散射光。


想象一下,在以外的积木堆在一个阳光灿烂的日子。光来自太阳的方向的积木将反映各种表面产生漫反射光的方向。

反射光产生图像投影时,通过一个孔。


现在想象站在一个完全遮光材料制成的在一个盒子里。让我们假设框发生在身边有一个针点大小的洞。

当来自太阳的光线,即单一的射线会打击对象,将分散在各种方向。这些方向将朝着包装盒中的针大小的洞。孔,只会让一个小的光线通过。当光线从一个对象的所有反弹朝着这个针点孔,有些人会通过的权利,通过在同一路径上,他们开始。收集的光线将创建一个焦点在该孔的位置,在后面的焦点有一定距离的图像将形成。该距离是一个比值的距离的对象的问题和大小的孔。直接通过孔的光线,创造的形象是上下颠倒。

我们想象中的那个盒子,实际上是所谓的暗箱,是摄影的最原始的形式之一。您可以创建自己的针孔相机正是因为上述暗箱把整个房间。


你的房子,一个房间里只有一个窗口。
用硬纸板或金属箔覆盖该窗口。
在金属箔上放置一个1-5mm的孔。
看看对面的墙上。你看到了什么?
如果你按照正确方向,你看到墙上的图像可能会是一个上下颠倒的版本外面的世界。因为它是非常不安全的,直接观看太阳,暗箱观察太阳是最安全的方法,尤其是在一个日食或观看太阳的斑点。相比原来的对象将是非常暗淡的,因为这个洞如此之小,所以光线可以穿过的图像。然而,当扩大的孔,将让更多的光线,它也将导致你的形象变得模糊,因为有那么多的方向,散射光可以通过孔。

这示出的孔,或光圈,效果的图像的锐度的大小如何。


这种类型的相机,针孔摄像头是一个非常简单的版本。一个摄像头obscera和一个针孔相机之间的唯一区别是,有一些额外的元件中的摄像头,捕捉所创建的图像。如果你想创建一个针孔摄像头,把一块感光相纸的图像形式的位置。

因此,如何是任何有关的摄影?

的清晰度和亮度的权衡是一个摄影师的日常困境。每一个图像之间的平衡完美的光量与图像的清晰度是一个平衡的游戏。暗箱中的孔是已知的作为相机的任何系统中的孔。的照相机由于光圈的大小增加时,更多的光进入光学系统,但减小的景深,图像会掉出焦点。

我们将更多地讨论所有的这些元素和特定关系到摄影,我们将这些深入,在未来的几个星期。

如果你有机会创造一个针孔摄像头,张贴一个链接,你需要的图片!只能有一个机会来创建一个暗箱吗?拍摄一张照片,并与我们分享,让我们一起去通过这个摄影之旅!


从Hubblesite.org。

在我以前的摄影快照中,我讨论了光的重要性,以及如何创建图像反弹。我们发现,最原始的摄影形式,它的工作原理是排除了所有的光线不创建一个图像的暗箱。虽然这种方法是创建一个图像,该图像是这么少的光线非常暗淡,因为创造的形象。在此快照中,我们将讨论的区别反射和折射,镜头光聚焦和镜头的焦距如何会影响图像。


铅笔看起来弯曲,因为光线反射在水中移动速度比在空气中的部分。

光是能量的一种形式,同时它还可以反弹,并加以保护,它也可以弯曲放缓。我敢打赌,你对自己所思所想,“但是,光速恒定的速度!”光只在一个恒定的速度在高真空的空间旅行的地方没有遇到任何反对势力。您可以慢光,它通过空气或水的材料,如。根据斯涅耳定律,折射程度取决于两种材料的不同的折射率的比率。大多数材料有一个折射率大于1,这意味着,作为光入射从空气中的材料,在材料中的光线的角度将是更接近“正常”(垂直)的表面比以前它进入。

给它一个镜头:,用手电筒照射一瓶水。束直视吗?将一支铅笔,一盘水,它看起来像它的弯曲那里的水和空气。


斯涅耳定律。背后的数学
从WikiCommons形象


 

图的右侧显示的折射光从一种介质传递到另一个。红线是正常的(垂直)的材料的表面。作为光通过正常的光偏向,因为通过第二材料,所述第二材料的密度是大于所述第一。传入的射线之间的角度和正常的入射角。,折射光线与法线之间的角度是折射的角度。

那么,为什么学习的有关折射重要?   镜头都有关折射。如果你想创建一个图像,你需要所有传入的光线集中到一个点。如果我们可以直接通过稍微弯曲的光-左侧的光束中的光的一点点权利每个波束,有点离开右侧的光束中的光-光将集中到一个点。这正是一个镜头做什么。

当透镜被创建时,在它的设计中有两个主要因素。的  折射率  的材料,它是多少的材料,它是由满分减慢的光束的入射角。的入射角越大,越弯曲发生。这就是为什么广角镜头,这就需要弯曲的光线很长的路要走,有这样一个鼓鼓的外观。


图片来自gutenberg.org


 

作为一个简单的实验,让我们来证明,光弯曲到一个单一的形象,因为它通过一个镜头。在黑暗的房间,成立了一支点燃的蜡烛,放大镜和一张纸作为屏幕。用放大镜的蜡烛和屏幕之间,来回移动透镜的蜡烛,直到聚焦的图像出现在屏幕上。

请注意,正如暗箱的火焰,图像上下颠倒。另外,你注意到阴影的玻璃是黑暗的,即使你可以看到整个玻璃吗?会发生这种情况,因为曲线的镜头引起穿过它的集中到图像在屏幕上的所有的光。

的蜡烛,实验了理想的情况下,所有的光在平行光线进入镜头。这些类型的理想系统聚光成一个完美的点。从透镜到这个焦点的距离被称为焦距,并以毫米(mm)测量。通常所描述的相机镜头的焦距。毫米数转化为您的相机的芯片从你的镜头前面的距离。长焦镜头的焦段覆盖的范围。这是通过一组相对于彼此,以达到所需的焦距的镜头移动。焦距是300毫米的长焦镜头将显着大于35毫米的广角镜头桶的镜头是更长的时间来适应增加的焦距。

当然,在现实世界中,光从来没有碰到的镜头完全平行光线。对象是接近的镜头,成为平行的光线,焦距越长,你需要以创建集中式图像。在微距摄影的对象都非常接近相机的景深大幅减少,这种变化是最明显的。(不要担心,我会解释什么是“ 景深 “是指在未来的快照)。



杰弗里?亨普希尔UCSB介绍遥感讲义影像放大倍率,焦距和视野角度。


 

为了集中你需要来回移动的镜头相对于屏幕,你的对象,直到一个清晰的图像显示的图像。当你关注,环顾四周,在这个特殊的距离更接近,并进一步原始对象的项目。他们是重点中的重点或缩小吗?最有可能的其他项目将成为焦点,因为这个焦段集中他们比原来的对象是不同的。增加中的项目数的图像,在焦点的最常见的方式是减少碰撞镜头的非平行的光线的数目,即减少的孔径的大小,如在针孔照相机。当然,这还意味着,我们必须平衡我们的愿望,我们的愿望亮度为重点,因为我们了解到在过去的快照。

下一次,我们将更多地讨论如何镜头使用光圈和焦距的影响放大倍率和亮度。的平均时间,你可以观看这些老式分配的发现视频反射和折射光的反射和折射视频(第一部分)和  折射视频  (第2部分)。

如果您有兴趣了解更多有关光学的折射,这个小程序是一个了不起的工具,可以让你看到会发生什么,如果你在一个光学系统改变传入灯,入射角和折射率的材料。点击下面的图片打开它。


 

弯曲光线

照相机镜头彩色简图(Snoron.com提供)


这篇文章是照相基础系列的第三篇。我们首先学习了光的性质,以及照片图像是怎么形成的,然后我们又明白了透镜能弯曲光线,使光聚焦到一点上。这篇文章将讲解透镜的科学理论,以及使用透镜来放大倍率和增加入射光。



透镜直径和光圈值的关系(图片来自Panasonic.com)


在上节课中我们做了一个实验,用一个透镜聚焦蜡烛发出的光。我们还学习了如何确定一个系统的焦距:我们将聚焦屏前后移动,直到上面的蜡烛火焰图像清晰为止。现在仍然考虑蜡烛/透镜系统,如果我们换一块焦距一样,直径却是原来两倍的透镜,你觉得会发生什么?图像的亮度是之前的两倍?图像大小是原来的两倍?如果你认为更大的透镜会让图像更亮,那你就对了。更大的透镜有更大的面积来采集光线,这就会产生比原来亮两倍以上的图像,准确的说这个比率是πr? ,r是透镜的半径。图像大小不会发生变化,因为焦距并没有改变。



这些光圈逐个变小,光圈值逐个变大,后一个光圈的成像面积是前一个的一半。(图片来自维基共享资源)


在谈及摄像时,你经常能听到人们用焦距或光圈值来描述一个镜头。光圈值描述了镜头直径和焦距的关系,焦距除以直径便是光圈值。比如说,如果一个镜头的焦距是50mm,直径是10mm,那么光圈值便是50mm/10mm=5,或者记作f5.如果镜头直径翻倍,那么光圈值就变成f2.5。也许你已经发现了,更低或“更小”的光圈值意味着有更多的光线被聚焦到图像上,因而图像也就更亮。光圈值和焦距一般都会印在围绕镜头的环上。如果有时你听到有人说镜头“快一点”或“慢一点”,他们也是在指照相机的光圈值。一个“快”镜头能够最迅速地采集光线,因而光圈值更小,比如f1.2或f2.5。一个“慢”镜头要花更长时间采集等量光线,因而光圈值一般会更大,比如f8或f12。


当我们在第一篇文章讨论暗箱的时候,我们注意到更大的光圈虽然会采集更多的光从而使图像更亮,但它同时也降低了图像的清晰度。在往照相机里增加一块透镜之后,你就能更好地理解这两个变量之间的关系。一个更快的镜头(小光圈值)会有一个更窄的景深(更窄的清晰范围)。现代的数码单反相机允许摄影师改变光圈大小,因而能够改变光圈值以及快门的速度。



这幅更细致的镜头图片显示出了镜头的光圈值、焦距、镜头直径以及一个半闭状态的光圈。


增大光圈直径可以增加亮度,并更好地聚焦,而增加镜头倍率能增加焦距,从而起到放大图像的作用。你所想要的焦距长度将决定你要使用多大倍率的镜头。把放大过程想象成光线被弯曲的程度,在镜头里增加更多的曲线意味着镜头要加厚,因而光线穿过镜头时会撞上更多物质从而减速。因此,正如你所看到的那样,放大不仅影响焦距,同时也影响成像的亮度。之前我们把放大说成是增加成像大小的一种手段,事实上在绝大多数的摄影中,最终成的像都比实物小很多。有一种类型的摄影题材就是要增大成像的大小,它叫微距摄影。这需要一种特殊的镜头,有着很长的焦距,并可以近距离拍摄。


微距镜头通常用它们的放大倍数来描述,这意味着1:1的镜头在感光元件上成的像和实物一样大。一个19.05mm的镜头会在感光元件上成一个19.05mm的像,占据35mm全画幅感光元件一半的面积,或者非全画幅传感器(在大多数低端机型上你能看到)80%的面积。一般来说要想称为微距镜头,放大倍率至少要1:1,其他有些镜头可以达到1:10(将一个直径1mm的物体放大到10mm)。



这幅光学图显示了焦距和传感器大小对视场的影响。(图片来源:维基共享资源)


摄像的最后一个难题被称为视场(field of view,FOV),换言之就是传感器能看到多少东西。一个镜头的视场取决于它的焦距,以及探测面或者照相机传感器的大小。假设我们拍摄同一个物体而只改变系统的焦距,随着焦距的增大视场会变窄,传感器上物体的像会变大。只要能看出光学系统中光线的轨迹就能很容易的判断出视场来。有一种很特殊的镜头叫“鱼眼镜头”,它的特别之处在于它的焦距极短,只有10到20mm,它向外凸的玻璃看上去很像鱼的眼睛。这种镜头有180度或更大的视角,用它在一幅画面里捕捉整个夜空尤其不错。



五张照片分别使用相当于24mm、28mm、35mm、50mm和72mm步进变焦功能,用来展示视角的不同。(图片来源:维基共享资源)



图像来源:维基共享资源


焦距是影响视场的一个因素,而传感器尺寸则是另一个影响因素。在一台数码单反相机上,你要么有一个非全画幅传感器,要么有一个35mm全画幅感光元件。非全画幅传感器的参数由剪裁系数或焦距转换系数(FLM)决定,它由35mm画面对角线长度(43.3mm)除以非全画幅传感器画面对角线长度计算而来。佳能数码单反相机的剪裁系数是1.6,而其他大多数品牌相机的剪裁系数都是1.5.这个比率乘上焦距就可以得到要产生同样视场所需的镜头焦距。比如说佳能非全画幅传感器上一个50mm镜头和全帧型相机配上80mm镜头拍摄出的图像相似,非全画幅传感器拍出的图像看上去总感觉拉得更近,事实上这是由之前提到的剪裁系数造成的。


一个变焦镜头与镜头形状、直径、焦距以及镜头间的距离一起作用来改变光圈和放大倍率的数值。虽然一些变焦镜头由近30件光学器件装配而成,但大多数变焦镜头的基础设计都是一样的,它们由许多独立镜头组成,这些镜头或是固定的,或是可以沿着镜头轴线移动。一种最常见的变焦镜头设计的光学部分分为两块,一块焦距固定的聚焦镜头以及一个由一串固定或可移动镜头组成的焦距无限远的变焦系统。变焦系统的目的不是为了成一个聚焦过的像,而是改变在传感器上成的像的大小,结果就是在传感器上成一个大小改变过的像。



一个简单的变焦系统,从左到右的三块透镜分别是L1、L2、L3。L1和L2可以左右移动,改变整个系统的焦距。(图片来源:维基共享资源)



运行中的变焦镜头简化图


 


陈施康,台湾的卡尔·蔡司Sunlens创意对焦设计


 

在过去几个月里,我的摄影快照系列一直专注于光的理论,它的行为,因为它在一个光学系统中创建的图像。我打算改变我现在的重点从摄影理论方面的实用组件,华丽的照片。

该快照将专注于创造完美的曝光图像和三个最重要的因素在决定曝光。所以,拿起你的相机,它的时间玩。

在摄影中,曝光是 允许落在照相 ??介质(照相胶片  或  图像传感器)在拍摄照片的过程中的每个区域单元的光的量  。很简单,更多的光线,打的像平面,创建的图像越亮会。这个词可能很熟悉,如果你曾经看着你的相机的测光吧。大量不同的物体之间在性质不同的对象的亮度变化。如果你认为,亮度遵循平方反比定律的物理,你可以理解为什么一个中午的阳光点燃的对象看起来变亮再同一个对象的夕阳照亮了6000次。


佳能刻度从whipartist Flickr照片

 

亮度测量的曝光值(EV)的一个单元中。EV 0被定义为1秒钟露出在图像 的1  f挡。本机可能会很熟悉,如果你曾经看着你的相机的测光吧。一种曝光米是与在中间的“零”,并通常位于取景器,顶部和/或后部的LCD面板上的规模。“零”是指正确的曝光。下面的“零”或“减”是指曝光不足和上面的“零”或“加”是指曝光过度。因此,1 EV亮度的两倍,EV是明亮的8倍,EV -2四分之一是光明的。一个在EV图像的亮度增加一倍,而在EV一步将一半的视亮度的图像。

的摄影师经常谈论光线和曝光的站。止损可以参考调整在任何三个领域的“ 曝光三角 “,光圈,快门速度和ISO。这三个基本概念的平衡,使任何照片的灵魂。其时的光圈,快门速度和ISO达到平衡的最佳曝光的图像可以被捕获。它能够走进任何光线条件下,有一个相当不错的手感所需的设置正确揭露,这使得摄影这样一种艰难的艺术大师。我知道,我离完美还很远,但我通常可以在约5个测试图像中找出正确的设置。


图片由约翰·巴雷特摄影


 

如果有一个项目,生染在你的大脑,你要学会摄影,它是图像的曝光三角形。这个三角形是如何平衡三要素的曝光,以及他们如何互相交流的可视化表示。


光圈 -有多少光线进入相机的镜头让
快门速度 -如何快速的传感器暴露于光
ISO -传感器的灵敏度的光

这些元素中的每一个都将在未来的快照中详细讨论,但在平均时间明白,每一个不同的曝光,通过不同的方法和不同的副作用。

在逼抢光圈聚焦成像中的项目的量可能增加,但它也降低了整体的亮度的图像。延长快门速度,让更多的光线在系统中,但它也显示了作为一个模糊的运动。提高ISO感光度的传感器将乘以在每个像素中收集的光,但它引入了比以往更加可见的随机噪声到图像中。

有意识地利用这些元素彼此独立地是所有关于摄影的创意是什么。

 


 


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