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还分不清手机焦距和变焦？带你看懂相机、手机镜头的原理及参数

本文是《手机拍照系列》的第4篇，上篇写到了摄影的曝光三要素：快门、感光度和光圈。面对各种规格的镜头，长焦、广角、变焦又是咋回事？这一篇就跟你讲透彻镜头的原理及焦距，相机手机均适用。先从简单的物理知识开始吧。

1. 小孔成像

摄影的基本原理就是成像，比如下图，根据光线的直线传播原理，火焰上每一个发光点都是向四面八方发射光线的，但总会有一小束光，笔直地穿过中间的小孔，在白纸上形成一个小光斑，火焰上的每一个发光点都会在白纸上形成一个对应的光斑，全部光斑在白纸上就组成了一个倒立的火焰图像，这就是小孔成像：

这种成像的方法简单粗暴，但有一个缺点，孔太小，透过的光线太少，成像只能看清光线强的火焰，很难看清蜡烛。

那么，把中间的孔扩大，多通过一些光线呢？

通过的光线变多了，但是火焰上每一个发光点，通过开孔照射到白纸上后，都形成了一个大的光斑，很显然没法再形成一个清晰的影像了。

2. 凸透镜

于是，人们便想到了凸透镜，通过光线的折射，会聚光线而成像：

这样虽然能得到更明亮的影像，但是白纸跟凸透镜之间只有一个合适的范围成像最清晰，超过了这个范围，会聚的光线变成了光斑而不是一个点，图像就会变模糊：

所以凸透镜成像对前后的距离有要求，通过调节这个距离而得到清晰影像，这就是对焦。

3. 焦点与焦距

平行光线正对凸透镜射入，折射后会聚在一个点上，这就是凸透镜的焦点，通常用F表示。凸透镜的形状不同，焦点离凸透镜的距离也是不同的：

焦点到凸透镜中心（光心）的距离称为焦距，通常用f表示，单位通常为毫米。

物体必须在焦距范围之外，才能在另一侧成像。

4. 镜头中的镜片组

拍照的原理便是在胶片或图像传感器上成像。相机或手机的镜头，不会是单一的凸透镜，通常是多块镜片组合而成，下图是一个相机镜头切开后的样子：

下图为某手机主摄镜头，由8片镜片组合而成：

这些复杂的镜片组，目的都是为了提高成像的画质，其原理跟单一凸透镜是相同的，都有光心、焦点和焦距，我们完全可以当成一个凸透镜来看待，如下图所示，把图像传感器设置在焦距之外，通过调节镜片的前后位置进行对焦，这样便能获取到清晰的成像：

5. 景深

要拍摄的主体成像对焦完成后，前后还有一定范围内的物体成像也是比较清晰的，这个区域就是景深。下图是两种不同大小的景深，景深以外的物体的成像，将会变得模糊不清：

景深就是一个很专业的摄影名词了，其实并不难理解。利用好景深就能拍出突出主体（虚化前景和背景）的照片。景深的大小跟多种因素有关，后文讲到。

这个图包含了各种概念和距离，随便看看就好。

6. 焦距与视角

同一个相机，不同焦距的镜头，镜头视角（可拍摄范围的角度）是不一样的。焦距越短，视角越大，能够拍摄的范围越广；焦距越长，视角越小，拍摄的范围越窄。

上图所示，原本的短焦距镜头大视角，能拍到3个人；通过变换成长焦距镜头，减小视角，只拍中间1个人，效果就相当于把中心画面放大了，被摄物体拉近了。

所以，不同焦距的镜头，能拍摄到不同范围的照片，短焦范围更广（相当于把物体放远），长焦范围更小（相当于把物体拉近）。

等等，还有个问题很麻烦，不同相机，成像的传感器大小并不相同，将导致相同焦距下，视角大小会不一样：

而视角的大小，决定了最终拍摄的内容。所以，不同相机的镜头，都统一用视角进行标注，不用去管传感器和焦距的大小，是最方便的办法。事实是，从胶片相机开始至今，大家都习惯了说焦距，而不是视角。

7. 等效焦距

为了统一标准，约定以之前最常用的135胶卷相机（数码相机中称全画幅）为标准，其成像尺寸为36×24mm，得到不同焦距与视角的对应关系：

其他大小不一的相机和镜头，根据其视角大小，再换算成这个焦距，称之为等效焦距。这样一个相机上的镜头，就会有两个焦距，实际焦距和等效焦距，这才得到了焦距的统一。

比如下图中，上面是全画幅相机，焦距50mm的镜头，对应视角是46度。下面相机的传感器更小，搭配的镜头，同样也是46度的视角，这个镜头实际焦距是33mm，等效焦距就是50mm。

8. 焦段

根据等效焦距，再把焦距进行按段分类，这就是焦段。大致如下图，没有太严格的定义。

图中均指等效焦距，24-70mm的都可算标准镜头，50mm焦距的镜头与人眼视觉范围最为接近。

顺便提一下微距，指在较近距离以大倍率进行的拍摄，相当于是把较小的物体放大了，一般需要离物体很近（几厘米到几毫米）进行拍摄。在手机上大多是使用超广角镜头进行微距的拍摄。另外一些长焦镜头，如果最近对焦距离能做到很小，也能带来微距的效果，这种长焦微距拍摄，可以离拍摄物体十多厘米甚至更远的距离，不会惊扰到拍摄物体。下图便是利用手机长焦镜头的微距拍摄：

能否进行微距拍摄，需要看镜头的设计，主要是最近对焦距离要足够小。相机上有专门的微距镜头可以更换。微距摄影能带来一种独特的视角和魅力。

9. 变焦

相机的镜头通常有两种，一种是焦距固定不能变动的，称为定焦镜头。另一种是可以在一定范围内调整焦距的大小，称为变焦镜头，能通过调整镜头中部分镜片的前后距离，改变整个镜头的焦距大小：

这种就是光学变焦。另外一种数码变焦，是截取中心的部分画面进行放大，会导致画质变差。下图便是一枚单反相机镜头的各种部位与标识，可以看出它拥有24-70mm范围的变焦：

在专业相机上，变焦镜头通常用24-70mm这种焦距范围的方式进行标识，你也可以说它是一枚3倍光学变焦镜头（70÷24约等于3），但是没有24-70mm这么直观和专业。比如，另一枚70-200mm的镜头，同样也是约3倍变焦，都说3倍，这两个镜头会傻傻分不清。

专业相机，可以更换不同的镜头以满足拍摄需求。比如下图是佳能单反相机可供搭配的一些镜头：

下图来自佳能官方网站，是同一相机，用相同的光圈f/4大小，分别用不同焦距的镜头进行拍摄，模特及背景的位置均不变：

实际在拍摄过程中，为了确保模特始终在画面中心，不同焦距的镜头拍摄时，摄影师要走近或远离模特：

可以看出不同焦距的镜头，透视关系发生了变化，导致人脸的形状、背景的范围和虚实都变了，说明景深也发生了变化。照片气氛变得不一样了，这就是摄影的技术和艺术。

还记得上文中说到的景深大小吗？景深跟镜头光圈、镜头焦距、相机和拍摄主体的距离三者都有关系。简单地讲，就是光圈越大、焦距越长、或者主体越近，景深越浅，越容易得到背景虚化、突出主体的照片。

至于光圈，可以看我上一篇文章，有详细解读。

10. 回到手机

上述这些原理、概念和参数，手机镜头和相机都是一样的，只不过手机受限于空间大小，一般都是后置几个不同焦段的定焦镜头，比如超广角、广角加长焦3个镜头，一般为了更通俗，根据其焦距，用变焦倍数进行标注，以主摄为1倍，比如超广角为0.6倍，长焦为3倍。其实这中间并不能进行连续的光学变焦，而是通过裁切或放大等方式进行镜头之间的画面接力。

而一些拍照旗舰手机，更是标注出了每个镜头的等效焦距：