你是否曾惊叹于一张照片的魔力？无论是壮丽的星空、瞬间凝固的欢笑，还是背景如奶油般化开的人像，又或是人物如奶油般化开的人像，这背后都隐藏着一套精妙的物理法则与工程艺术。
如何用一篇文章讲通相机与镜头的核心（或者说本质）？（说实话还挺不容易的。）看了眼手中的相机和镜头，它们拥有各种各样看起来简单的外观，却有着复杂精密的内里。不过，大道至简，视矿为你抽丝剥茧，从最基本的光子出发，一步步“制造”出一台相机和一支镜头，彻底搞懂那些让初学者头疼的概念：光圈、快门、焦距、景深、f值、去马赛克、焦外、色差……在数字时代，相机的“胶片”是一块图像传感器（Sensor）。你可以把它想象成一个密布着数百万甚至数千万个微小“光桶”的网格，每个“光桶”就是一个光电探测器（Photondetector）。当光子（Photon）撞击这些探测器时，它们会被转换成微弱的电流。光子越多，电流就越强，成像越亮。探测器需要时间来收集光。这个收集的时长，就是快门速度（Shutter Speed）或曝光时间（Exposure Time）。
- 时间太短：收集的光子不够，信号太弱，画面一片漆黑，即“欠曝”。
- 时间太长：光子溢出了“光桶”，信号饱和，画面一片惨白，即“过曝”。
这里有个问题：光电探测器只“数”光子的数量，它不在乎光子的“颜色”。因此，一个裸露的传感器本质上只能拍出黑白照片（就像上面那张图里的蒙娜丽莎一样）。为了捕捉色彩，工程师们在每个探测器上覆盖了微小的“滤色片”，彩色滤光阵列（Color filter array，CFA）。最著名的解决方案叫做拜耳滤镜（Bayer Filter），它是一个 2x2 的马赛克图案：红色、绿色、绿色、蓝色。
除了拜耳阵列外，还有其他 CFA 设计，比如富士的 X-Trans 阵列、RGBE / CMYG / CYGM 阵列、Quad Bayer / Tetracell / NonaCell 阵列（高像素手机常见）等。
你没看错，绿色的数量是红色或蓝色的两倍。这是因为人眼对绿色光谱的亮度最为敏感，更多的绿色采样能带来更接近人眼观感的细节和亮度。“马赛克”（Mosaic）这个词非常形象。当光线穿过拜耳滤镜，传感器记录下的原始数据（RAW）是一幅信息残缺的拼图。想象一下：一个 4 像素的网格，第一个像素只知道它那里的红色有多亮（绿色和蓝色信息为0）；第二个像素只知道绿色（红色和蓝色为0）……这幅由R、G、B三种单色小方格拼凑起来的、信息严重残缺的“马赛克”图，是无法直接观看的。“去马赛克”（Demosaicing）就是相机内部的图像处理器（ISP）玩的一个“猜谜游戏”。它的任务是，把这张残缺的拼图“还原”成一张全彩照片。以一个只记录了红色的像素点为例。它自己并不知道这个位置的绿色和蓝色是什么。但处理器会想：“我虽然不知道我这里的绿色值是多少，但我左边的邻居是一个‘绿色像素’，右边也是，上边也是，下边也是。”“我这里的绿色值，很可能和我周围四个绿色邻居的平均值非常接近。”“同理，我斜对角的邻居是‘蓝色像素’，我这里的蓝色值，可能和它们几个的平均值很接近。”于是，这个“红色像素点”就通过插值计算（interpolation），“猜”出了自己缺失的绿色和蓝色信息。最终，每一个像素点都重复了这个过程，从一个“残缺”像素变成了拥有完整R、G、B三个颜色通道的“全彩”像素。现在我们有了一个能感光、能识色的传感器。但如果我们把它直接拿到现实世界中，会拍到什么？为什么？因为现实世界中，每一个点都在向四面八方反射光线。红球的光射向传感器的每一个像素；绿球的光也射向每一个像素。它们混合在一起，无法形成任何有意义的图像。为了解决这个问题，我们需要限制光线的路径，让来自场景中一个点的光，只落在传感器上一个对应点。最简单的办法，就是把传感器放进一个不透光的盒子里，只在盒子上开一个非常非常小的孔。这就是小孔相机（Pinhole Camera）。
- 倒像：光线直线传播交叉，形成倒像（放心，你手中的相机会为你自动翻转
- 视角 (Field of View)：小孔和传感器之间的距离，决定了相机能“看”多宽。距离近，视角广；距离远，视角窄。
- 暗角 (Vignetting)：你会发现照片的角落比中心更暗。这是因为对于传感器中心的像素，小孔是正对着它的；而对于角落的像素，小孔是在一个倾斜的角度，看起来更小，因此接收到的光线更少。这在物理上被称为“余弦四次方定律”（cos⁴(α) ，又叫“自然暗角”）。
- 孔径越小：来自物体的光线“光锥”越窄，在传感器上形成的“光斑”越小，图像就越清晰。
首先，孔越小，能进入的光子就越少，图像会极其暗淡。你需要非常长的曝光时间（比如几分钟甚至几小时），这会导致任何移动的物体都变成虚影（即运动模糊）。你也可以提高传感器的灵敏度（ISO），但这会带来更多的噪点。其次，当孔小到一定程度，光的衍射效应会变得非常明显，光线会“弯曲”，反而导致图像再次变得模糊。最重要的是，小孔相机还有一个无法解决的痛点：它无法控制模糊。在小孔相机里，所有物体，无论远近，都有着相似的模糊程度。我们失去了创造“背景虚化”的艺术能力。三 ｜ 玻璃为什么能“拐弯光”：折射、菲涅尔和全反射说到玻璃，直接进入脑子的就是：玻璃是透明的。也正因此，玻璃是“操纵”光线来成像的极为合适的材料。光是电磁波（electromagnetic wave）。在玻璃里，波的相速度（phase velocity）会变慢；折射率（index of refraction, n）用来描述“慢了多少”。跨越空气与玻璃的边界时，方向按照斯涅尔定律（Snell’s law）改变；同时还会发生与角度相关的菲涅尔反射（Fresnel equations），在某些角度甚至出现全内反射（total internal reflection）。真实镜头会用减反镀膜（anti-reflective coating）把“该走的光”尽量送过去。 光折射与反射示意（上方介质为空气，下方介质为玻璃，n1和n2是二者的折射率）把光想象成斜着走的队伍，进入“泥地”（玻璃）会放慢脚步。为了不踩到边界线上已经站好的“鼓点”（相位连续），队伍的行进方向就得微调——这就是折射。遇到“湿滑的边界”（大角度），一部分士兵会掉头反弹（反射），角度再大就干脆全体折返（全内反射）。我们知道了玻璃可以“操纵”光线。于是，借助玻璃的能力，可以做到：
- 聚焦光线：将来自同一点的光，汇聚到传感器上的一个清晰的点，解决模糊问题。
把玻璃加工出外凸的弧面，就得到能把光汇聚的凸透薄镜（convex thin lens）。远处的平行光穿过透镜，汇聚到一点，从透镜中心到汇聚点的距离，就是焦距（focal length, f）。薄透镜公式（thin lens equation）：1/so + 1/si = 1/f（物距 so、像距 si）。物距 so 无穷大时，像距 si 就等于焦距 f 了。然后，我们将镜头装到相机上后，传感器与镜头的距离必须落在“汇聚点”处，画面才锐利。如果我们想把一支固定焦距镜头的相机从对准某个物体切换到对准另一个物体，就必须让像平面（image plane）相对镜头前后移动；而这会影响视场角（angle of view）。这种现象称为对焦呼吸效应（focus breathing）。上图有呼吸效应，而下图几乎没有呼吸效应。注意观察右边缘的红色。摄影镜头通常优先综合指标（锐度、体积、成本、AF速度），抑制呼吸效应往往不是第一优化目标；视频/电影镜头（cine lenses）则把“最小呼吸（minimal breathing）”当成核心指标之一，通过补偿组（compensation group）/特殊对焦凸轮（cam）等机械—光学联动来抵消对焦引起的视场角变化，代价是更复杂、更重、更贵。像上面那样焦距固定的镜头称为定焦镜头（prime lens），而焦距可调的镜头称为变焦镜头（zoom lens）。我们的眼睛里的晶状体会通过改变自身形状来动态调节焦距，但刚性玻璃做不到这一点，因此变焦镜头通过多片镜片元素构成的系统，靠改变这些镜片之间的相对位置来实现变焦。透镜像一位“交警”，把不同方向来的“车”（光线）指挥到同一个“十字路口”（焦点）。你把“停车场”（传感器）摆在“十字路口”正中央，就拍得清；挪前挪后，就糊。我们手中的镜头，始终依靠卡口（相机与镜头衔接处的开口）精确“粘在”相机上。因此：镜头的焦距，便直接决定了相机的视角：
- 短焦距（如 24mm）：视角非常广，能拍下广阔的风景。这就是广角镜头。
- 长焦距（如 200mm）：视角非常窄，仿佛用望远镜在观察，能拍到远处的细节。这就是长焦镜头。
- 标准镜头（如 50mm）：其视角接近人眼的自然观感。
提到“长焦”，我们立刻会想到“放大”。但“放大倍率”这个词，在摄影中其实有两种截然不同的含义。这是我们最直观的理解：一个200mm的镜头，是不是比50mm的镜头“放大”了4倍？这就像望远镜，50mm是“肉眼”标准，200mm就是“4倍望远镜”（200 / 50 = 4）。焦距越长，“望远”的放大能力越强。含义B：微距的“最大复制比率” (Maximum Reproduction Ratio)这个镜头参数回答的是一个完全不同的问题：“一个物体，在传感器上能被投射得多大？”复制比率 = 物体在传感器上的成像尺寸 / 物体的真实尺寸
- 1:1 (或 1.0x)：这叫“等倍放大”。一块1厘米宽的昆虫翅膀，在传感器上投射的图像也是1厘米宽。这是“真·微距镜头”的标准。
- 1:2 (或 0.5x)：一块1厘米宽的翅膀，在传感器上投射的图像是0.5厘米宽。
- 1:4 (或 0.25x)：大部分普通变焦镜头的最大放大倍率都在这个级别。
多提一点，比如一支为尼康APS-C残画幅相机设计的DX镜头，显示最大复制比率为0.67，那么它将拥有相当于全画幅下1:1的复制比率，这是因为残画幅和全画幅之间有1.5倍的换算关系。这种情况下，画面里主体占画面的比例，与全画幅上用 1.0× 镜头几乎一样。所以尼康会把它定位成‘微距镜头’。一个300mm的长焦镜头，它的“望远”能力很强，但它可能被设计为“不许靠得太近”——它的最近对焦距离（Minimum Focusing Distance, MFD）可能很远（比如3米）。在3米外，它拍一只蝴蝶，复制比率可能只有1:5。而一个50mm的微距镜头，“望远”能力很差，但它被设计为“可以贴得很近”（MFD 只有0.2米）。在0.2米处，它拍同一只蝴蝶，能实现1:1的复制比率。MFD 是一个纯粹的光学和机械设计问题。它取决于镜头的“对焦行程”。想象一下，为了对焦近处的物体，你需要将镜片组“拧”出去，让它离传感器更远。镜头的“对焦螺旋”（Helicoid）或内部马达能移动的物理极限，就决定了它能对焦多近。微距镜头就是那些被设计成具有超长“对焦行程”、允许镜片组移动到极端的镜头。镜头完美地解决了清晰度问题，但也带来了一个“新问题”。对于一个特定距离的物体（比如你正在对焦的人），它的光线完美汇聚在传感器上，成像清晰。但对于不在对焦距离的物体（比如背景里的树），它的光线会汇聚在传感器的前面或后面。当这些光线继续传播到达传感器时，它们已经不再是一个点，而是扩散成了一个圆斑。这个圆斑，就叫“弥散圆”（Circle of Confusion）。当它小到一定程度，人眼会觉得它“足够清晰”；当它大到一定程度，我们就感知到了模糊。景深（Depth of Field, DoF），指的就是照片中“足够清晰”的区域范围。
- 浅景深：只有很窄一个区域是清晰的（比如人脸清晰，背景模糊）。
我们如何控制这个模糊的程度呢？通过控制光圈（Aperture）。不同光圈大小会改变通过的“光束锥”，进而影响模糊程度。光圈（Aperture）是一个可以调节大小的孔洞（通常由多片叶片组成），它安装在镜头内部，用来控制通过镜头的光线路径。
- 大光圈（孔洞大）：允许“胖”光锥通过。景深浅，背景模糊。
- 小光圈（孔洞小）：只允许“瘦”光锥通过。景深深，背景清晰。
（一个不太恰当的比喻：你眯着眼睛会看得更清楚一点的样子。）六 ｜ f 值解惑（为什么f/1.8是“大”光圈？）现在，我们有了控制曝光的三个工具：快门速度、ISO、以及光圈。当镜头被正确对焦时，焦距决定画面里被摄体的成像有多大。把焦距加倍，传感器上该物体成像的宽和高也会加倍，因此面积增至原来的 4 倍。来自该物体的光被分布在更大的成像面积上，于是每个像素接收到的光更少。也就是说，其他条件不变的情况下，焦距变长，成像就会变暗。光圈不仅控制景深，它也直接控制照片的亮度。光圈越大，进光越多，照片越亮。所以如果想要获得同样的亮度，那么光圈大小就要和焦距匹配好。为了标准化“亮度”这个概念，f 值（f-number）被引入，也叫光圈系数。D：光圈的有效直径，又叫入瞳直径（entrance pupil diameter, D）镜头A：50mm 焦距，它需要一个 25mm 的孔径 (D)，才能达到 f/2 的亮度。 (50 / 25 = 2)镜头B：200mm 焦距，如果也用 25mm 的孔径 (D)，那么只能得到f/8的亮度 (200 / 25 = 8)，会非常暗。镜头C：为了让 200mm 镜头也达到 f/2 的亮度，它需要一个多大的孔径？D = f / N = 200mm / 2 = 100mm (10厘米！)现在你明白了，为什么一支 200mm f/2 或者 400mm f/4 的镜头会那么巨大、那么重、那么贵。因为它需要一个直径达10厘米的巨大镜片来收集足够的光，才能“喂饱”那个被高度放大的图像。由于传感器上每个像素接收到的光量会随着光圈直径增大而增加、随着焦距增大而减少，所以 f 值就控制了成像的亮度。镜头上标注的 f 值，一般指这支镜头所能达到的最大光圈；f 值越小，镜头通光量越大。更多的进光量允许缩短曝光时间，因此 f 值越小的镜头也常被称为“更快”（faster）的镜头。严谨的摄影师一般把大光圈镜头称作“快镜头”。常见的 f 值序列经常以 1.4 为倍数（约等于 √2）。把可变光圈的直径按这个系数缩放，其面积就按 2 倍缩放，这是一个便于使用的进光量刻度。把 f 值增加一档（one stop），进光量减半。（许多相机的f值调整更精细，通常以1/3档来调整。）f 值（f-number）是纯几何量，不考虑镜片吸收、反射损失。T 值（T-stop）把真实透过率（transmittance）算进去，T 值决定“实际曝光”。比如某镜头标 f/2.8，但透光率只有 90%，它可能接近 T/3.0 才是真正的亮度等级。电影拍摄常用 T 值保证不同镜头之间的曝光一致性。上面讨论的，都是一个“完美”的单片凸透镜。但如果你真的用单片镜去拍照，画质会惨不忍睹。现代镜头是由10-20片形态各异的镜片（凹透镜、凸透镜、非球面镜等）组成的复杂光学系统。之所以这么复杂，是因为要修正各种缺陷。尼克尔 Z 135mm f/1.8 S Plena镜头结构图：14组16片 (含4枚低色散（ED）镜片，1枚非球面镜片，1枚蓝光高折射（SR）镜片，以及带中孔非晶态涂层和抗反射高清（ARNEO）涂层镜片)“焦外”（Bokeh），指的不是模糊的程度（那是景深控制的），而是这个“弥散圆”的质量。被誉为“圆神”的 Z 135mm f/1.8 S Plena 的焦外。
- “糟糕”的焦外（Busy Bokeh）：弥散圆的边缘非常亮，像一个“甜甜圈”；或者光斑内部有“洋葱圈”（非球面镜片研磨的痕迹）；或者因为光圈叶片是多边形，导致弥散圆也变成了刺眼的多边形（也叫“二线性”），还有呈现出“猫眼”形。这种焦外会显得“忙乱”、“焦躁”，分散注意力。
- “优质”的焦外（Creamy Bokeh）：弥散圆是完美的圆形，且边缘柔和，中心明亮，光斑内部像奶油一样均匀平滑。
当然，你可以依据自己的喜好而对焦外有自己的评价标准。现代镜头通过使用圆形光圈叶片（如9片、11片）和特殊研磨的镜片，来保证焦外柔美。什么是色差 (Chromatic Aberration)？还记得物理课上的三棱镜吗？白光穿过三棱镜，会分解成“红橙黄绿蓝靛紫”的彩虹。当白光穿过镜头时，蓝光会被折射（弯曲）得最多，红光被折射得最少。后果就是：镜头无法将所有颜色的光汇聚在同一点上。如果你对焦在绿光上，红光和蓝光就是失焦的，它们会在物体边缘形成“色边”（Fringing），最常见的就是高对比度边缘的“紫边”和“绿边”。工程师们会加入特殊玻璃。比如“ED”（超低色散）、“LD”（低色速）、“SR”（蓝光高折射）或“萤石”（Fluorite）镜片。这些昂贵的特殊材料天生就具有极低的色散特性，能极大地校正色差，让所有颜色的光都汇聚在一点，使画质更锐利、更纯净。镜头镀膜 (Coatings)：对抗反光的“隐形战衣”光线并不“喜欢”从空气进入玻璃。每一次光线穿过“空气-玻璃”的交界面时，都会有约4%~5%的光被反射回去。
- 后果一：光线损失。一个有20片镜片的复杂镜头，如果不加镀膜，可能只有不到一半的光能到达传感器！
- 后果二：眩光与鬼影。那些被反射回去的光，会在镜头内部“东碰西撞”，最后以“不该在的位置”落在传感器上，形成眩光（Flare）（大面积的雾化）和鬼影（Ghosting）（如拍摄太阳时出现的一连串绿色或橙色光斑）。
降噪耳机通过发出一个与噪音“相位相反”的声波，来“抵消”噪音。镜头镀膜是一层（或多层）比光的波长还薄的化学薄膜。它的厚度被精确设计，当光线在“镀膜表面”反射时，会产生一个反射光（A）；当光线穿过镀膜，在“玻璃表面”反射时，会产生另一个反射光（B）。A和B这两束反射光“相位相反”，它们相遇时会“相互抵消”（学名叫“相消干涉”）。现代的“纳米镀膜”（如尼康的ARNEO、佳能的ASC、索尼的Nano AR等）是更复杂的技术，它们能抵消更宽广波长和更大角度的反射光，带来极高的透光率（99%以上），让我们在逆光下也能拍出清晰、高对比度的照片。从一个简单的光电探测器，到一幅“猜”出来的彩色图像；从一个原始的小孔，到配备了精密光圈的镜头；从一个简单的放大镜，到由众多镜片和纳米镀膜组成的复杂光学系统。当你下次拿起相机，调整f值，拉动变焦环时，你不再是盲目地操作，你是在指挥着光线，是在与物理学共舞。
手机版
二维码
45094480
