基礎知識:什麼是對焦? (上)
發表於2009.04.15 04:04

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基礎知識:什麼是對焦?
 
冼鏡光
April 15, 2009上線
 
 
            本篇是基礎知識系列的第六篇,它的主題是對焦!不過我們的重點並不是如何對焦,而是在探討鏡頭的對焦方式;換句話說,這篇文字的主旨在解釋鏡頭的光學部份如何對焦,至於如何驅動光學部份對焦(譬如手動或自動)以及拍攝時的對焦技巧就不在本文探討的範圍。如果您有興趣,Chinon CE-4s這篇文章有最原始SLR自動對焦鏡頭的討論,而Pentax ME-F這一篇則是介紹第一台使用TTL自動對焦的SLR。
 
            本文會談到以下幾種常見的鏡頭對焦方式:固定對焦、區域對焦、距離刻度對焦、移動整個鏡頭對焦、移動鏡頭前段對焦、與內對焦;然後再講到近距離對焦的一些課題,最後是移動鏡頭前段對焦與內對焦的基本理論。另外,本文會用到一些透鏡與焦距的基本知識,所以在有需要時不妨看看相機鏡頭:從透鏡說起基礎知識:什麼是焦距? 這兩篇文章
 
            進入正題前我們先得釐清什麼是對焦。其實對焦的觀念很簡單:把鏡頭對準被攝體並且轉動對焦環(或其它對焦機制),把被攝體經過鏡頭的像清楚地投射到底片或感光晶片上,這個動作就是對焦。對焦完成後,從被攝體到底片或感光晶片平面的距離通常叫做對焦距離(focusing distance),這也是鏡頭上的距離刻度,但從被攝體到鏡頭前端的距離則叫做工作距離(working distance)。在拍攝較遠處物體時,對焦距離與工作距離差異不太,但在近拍或微距時工作距離就比較重要了,請看近拍(最短)對焦距離的迷思這篇文章的討論。
 
            目前大多數相機都不再標出底片或感光晶片平面的位置,如果您好奇的話,不妨在機頂或機身四週看看能否找到一個中間有一條短橫線的小圓,這條短橫線與機背平行、指出底片或感光晶片平面的位置。下面照片中黄圈部份就是這個標示,左邊是Nikon F3(底片相機)、右邊是Sony R1(數位相機)。
 
 
 
 
            了解本文的主旨後就可以進入正題了。
 
 
固定對焦
 
            最簡單的對焦方式就是不要對焦!很多低階相機都是不需要對焦的,它們絕大多數都是把對焦距離定在泛焦距離(hyperfocal distance,也有人譯做超焦距),於是從泛焦距離的一半到無窮遠的景物都在景深(depth of field)範圍內,因此在影像中都是清楚的。不過採用這樣設計的機型大多數是小光圈入門機種,小光圈所帶來的景深差不多就是從相機前一公尺多直到無窮遠,一旦光圈變大,泛焦距離變長,於是景深很可能就無法涵蓋在近處的被攝體。譬如說,在135底片相機下用50mm標準鏡頭拍攝,用f/11時泛焦距離大約是7.6公尺,於是從鏡頭前方3.8公尺到無窮遠的景物都清楚,但比3.8公尺近的物體因為不在景深內就變得模糊;如果用f/4拍攝,泛焦距離大約是21公尺,於是從鏡頭前方10.5公尺到無窮遠的景物都清楚,但比10.5公尺近的物體因為不在景深內就變得模糊,所以在較大光圈時固定對焦在泛焦距離的方式不很實用。
 
            因為上述的理由,未必每一台固定對焦的相機都會對焦到泛焦距離;譬如說,從1957年生產到1966年的16mm迷你相機Minolta-16與Minolta-16 II 就是一個好例子。Minolta-16與Minolta-16 II的最大光圈分別是f/3.5與f/2.8,雖然它們的片幅很小(10´14mm),但在大光圈時泛焦距還是很遠的,於是Minolta把這兩型相機的對焦距離定在2公尺出頭。但這樣一來,景深就比較淺而且也無法延伸到無窮遠,因此Minolta為Minolta-16與Minolta-16 II生產了一組濾鏡(見下面的照片),其中的No. 1與No. 2是近拍(凸透)鏡、把對焦距離拉近,還有一個No. 0遠拍(凹透)鏡、裝上之後相當於對焦在泛焦距離。
 
 
 
 
            下表是Minolta-16 II與各個近(或遠)拍鏡的景深表。從表中可以看出在不使用任何鏡片時,Minolta-16 II只有在f/11與f/16時景深才會涵蓋從鏡頭前方一公尺左右到幾乎無窮遠。裝上No. 0遠拍鏡後相當於對焦在泛焦距離,在最大光圈f/2.8時,5公尺以內的景物不在景深內,縱使把光圈收到f/16景深仍然在鏡頭前方1.5公尺之外。從這個例子可以看出固定對焦的缺點,它只有在小光圈之下才有足夠的景深,而且得要用額外的配件才能對得更近或更遠。
 
 
 
 
 
區域對焦
 
            二次大戰後德國一些相機廠家開始為低階機種加入區域對焦(zone focusing,有時也叫做圖示對焦—symbol focusing)的功能。區域對焦把鏡頭的對焦距離分成幾個區域,由使用人決定該使用那一個,然後用撥桿或轉盤把對焦距離調到該區域上;調整撥桿或轉盤就同時把鏡頭內的某些透鏡帶到既定的位置完成對焦,接著就可以拍攝了。區域對焦當然不會很準確,但透過小光圈產生的大景深,只要使用人選擇得宜、被攝體多半會在景深範圍內。因為區域對焦容許鏡頭有若干個既定的對焦距離,當然就比固定對焦方便得多。
 
            下面是一台十分簡單的Minolta-16 EE照片中黃圈所在就是一個只有兩個位置的對焦撥桿,向左撥是一男一女的半身像(下右照片)、對焦距離約在7英尺(或2公尺),往右撥會出現房屋與兩棵樹、表示對焦距離是在16英尺(或5公尺)左右。所以這是個極為簡單的區域對焦系統。
 
 
 
 
            有些機型的選擇比較多,下左照片是Minolta-16 QT的區域對焦撥桿,上面標了1.2m、2m、3.5m與10m以及對應的英尺距離。使用人取景構圖時,如果觀景窗中看到的是及肩頭像、半身、全身、或遠處風景時,得移動撥桿讓觀景窗下方的紅色標示對正相應的圖示(下右照片是在及肩頭像上),於是就可以拍攝了,撥桿指著的就是對應的對焦距離。
 
 
 
 
            區域對焦方式曾經使用相當廣泛,後來多出現在很便宜的傻瓜機型上,但隨著自動對焦日漸普及和數位興起,區域對焦逐漸消失,但它的基本想法卻演化成今天的某些場景模式(譬如小花與風景)。
 
 
距離刻度對焦
 
            與固定對焦一樣,距離刻度對焦也是源遠流長的。在20世紀初期,除了用伸縮蛇腹對焦的大型相機之外(見下一節),因為測距連動機制還沒有出現,其它機型差不多都是固定對焦的,縱使是1924年推出的Leica I也都還沒有對焦機制。那個時代相機的觀景窗與鏡頭完全獨立,觀景窗只用來取景構圖、鏡頭只用來拍攝,不過稍好相機的鏡頭上有了對焦環,而且有距離刻度,在拍攝前使用人先估算出對焦距離,把這個距離在對焦環上定出來之後再拍攝。對焦距離當然不會估得很準,照片的清楚程度仍然要靠景深補救。這個情況一直要到1932年Leica與Zeiss Ikon分別推出裝了測距連動機制的Leica II與Contax、以及1933年的VP Exakta SLR機型(見Kine Exakta:史上第一台135片幅單眼相機(1936))之後才改觀。不過,低階機型仍然使用固定對焦,稍許高階機種才有對焦距離刻度。
 
            下面是一台在1939年到1941年間生產的Argus A2F(見Argus A:讓135底片普及的大功臣(1936)。照片左上角的方形是與鏡頭完全分離的觀景窗,鏡頭上有對焦環,目前是定在2英尺附近;要注意的是,因為觀景窗與鏡頭獨立,觀景窗中是看不到對焦效果的。
 
 
 
 
            下面是1961年份的Mamiya Automatic 35 EEF,這台便宜相機仍然沒有測距連動機制,所以使用人必須要估出對焦距離(照片中大約是定在9英尺);不但如此,對焦環上還標了近拍CLOSE-UPS、團體GROUPS)與風景(SCENES)這三個區域對焦的標示。
 
 
 
 
            單用距離刻度對焦的方式在測距連動機制與SLR普及之後就逐漸消失,但並不表示它沒有用處。事實上,在很難對焦的場合(譬如現場非常暗),我們可以直接在鏡頭對焦環上定出估算的距離,前提當然是得要距離估得不離譜、而且對焦環上也要有距離刻度;不過麻煩的是,很多低價位自動對焦鏡頭上根本沒有距離刻度!
 
 
移動整個鏡頭對焦
 
            在1839年相機剛出現時,鏡頭是裝在一個盒子前方,後方是有可以拉進拉出的裝底片用抽屜(請看用DSLR模擬Daguerre(達蓋爾)相機文末的介紹),對焦是靠拉動這個抽屜完成,後來的機型則把鏡頭装在蛇腹上,靠伸縮蛇腹對焦。下左照片是一個在1864年由英國Dallmeyer發展出來、叫做Rapid Landscape的鏡頭,它前方有個短遮光罩,突出來的圓片是可以旋轉、上頭有孔的光圈轉盤,最後方是用來裝上相機蛇腹的螺紋。請注意,這個鏡頭沒有對焦環!下右的照片是把這個鏡頭透過各式接環裝到Nikon PB-4蛇腹,再接上Nikon D60的樣子,在對焦時得要旋轉蛇腹上的旋鈕調整長度、從而把鏡頭前後移動。就這樣,雖然沒有百年前的相機,使用近代蛇腹也大致上可以回味前人的對焦方式。
 
 
 
 
            這種把整個鏡頭前後移動的對焦方式在一百年內沒多大改變,縱使是在小型相機上也如此,只不過是蛇腹換成對焦筒。下左是1952年版的Leica Elmar 90mm f/4,它的光學部份(含光圈)是可以取下來的(下右),於是剩下來的那一段圓筒(對焦筒)就只有對焦功能,使用人轉動對焦環把光學部份前後移動。我們得要注意一點,19世紀末20世紀初的相機片幅都很大,4x5以上的比比皆是,所以這些相機的標準鏡頭焦距很長(譬如說,5x7片幅的標準鏡頭是150mm到180mm),於是對焦到無窮遠時鏡頭到底片的距離就是焦距的長度(見基礎知識:什麼是焦距?)。對焦到近距離時,因為鏡頭組會前移,它到底片的距離更長,於是長度、體積、與重量等因素使大型相機幾乎不會用對焦筒。在小型相機方面,因為鏡頭焦距比較短,為了輕便容易使用,幾乎都用對焦筒,只是絕大多數廠家不會像Leica那樣可以把鏡頭分解成光學部份與對焦筒。
 
 
 
 
            同樣的設計在近代鏡頭中也屢見不鮮。下面是1986年Nikon的AF Micro-Nikkor 55mm f/2.8,左上是對焦在無窮遠時的(最短)長度,左下是鏡頭後端,右上是鏡頭在最近對焦距離達到1:1放大率時的(最大)長度,右下可以看到整個透鏡組隨對焦距離前移。以對焦作業來看,這個AF Micro-Nikkor 55mm f/2.8與剛才提過的Leica Elmar 90mm f/4相同(都是移動整個光學組),差異就只在鏡頭內的對焦機制。
 
 
 

未完待續下篇在此

 
 
未經本人同意,請勿轉載轉貼本文任何片段,請尊重智慧財產(著作)權
引用方式:冼鏡光,基礎知識什麼是對焦DCView.com達人部落格(http://blog.dcview.com/article.php?a=VmpUMwdlAD4%3D
 
 
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回應

dicar2  於2009.04.16 10:34  

請問一個關於貴站rss訂閱問題:
為何每天會一直重覆發送blog的舊文章,這是系統問題嗎?

煩請解惑!謝謝!

版主回應︰ 於 2009.04.16 14:12

這是站方的系統問題,以前也有網友反應過,但站方似乎無意或無能力解決(或許台灣的軟體技術就是這個水平),所以本站的人氣指數幾乎不可信。很抱歉給您帶來困擾,但本人實在無能為力、只能向站方反應。

motomane365  於2009.04.20 01:37  

我對dslr的對焦系統一直很感興趣∼

為什麼N家比較不會移焦∼為什麼C家這麼愛移
(我有看過您350那篇了∼大概知道C家的情形)

希望有機會得到相關的訊息∼

版主回應︰ 於 2009.04.23 17:01

Nikon的AF原理資訊並不多,我沒有很高的自信能寫出正確的文章,所以無法回答您的問題,實在抱歉。

motomane365  於2009.04.20 01:45  

不好意思∼
其實我對鏡頭的"星芒"∼也很感興趣∼
不知道是否有機會了解到相關訊息∼

謝謝啰

版主回應︰ 於 2009.04.23 16:59

星芒是光圈葉片在小光圈(大f值)之下的繞射造成的,請看拙著「數位相機:觀念、技巧與原理」第C.9章(繞射)的說明。

口加口非  於2009.04.22 22:53  

請問一下大大 今天拍照時發現按下快門
焦點會往下跳一個 晚上測試檢查
發現 開VR會造成下移 但是焦點並沒有跑掉
是畫面往下移
則不開VR則正常!
請問這是什麼問題 該怎麼解決呢?

版主回應︰ 於 2009.04.23 16:50

這恐怕是VR有問題(純屬猜測),請把鏡頭送檢(修)。

Richard  於2009.10.31 09:31  

老師您好,我想請教一下。現行的機身,自動對焦功能跟“屈光度”有關聯嗎?例如,屈光度沒有調整正確(清析),到時後的自動對焦也會對焦錯誤,如糢糊不清。謝謝,老師。

版主回應︰ 於 2009.10.31 14:12

沒有關聯,因為調屈光度的透鏡是在觀景窗靠眼睛的地方,而不是在鏡頭到感光元件的光路上。

survivor  於2009.12.07 15:05  

老師您好

看完您的對焦專文,但小弟對於(D)SLR的自動對焦仍有疑問,不知在(D)SLR的對焦系統是如何判斷被攝體已對焦清楚?這是否也牽涉到移焦的問題?
謝謝老師∼

版主回應︰ 於 2009.12.07 15:46

DC與DSLR的Live View通常使用對比檢定(contrast detection),但DSLR都是使用相位檢定(phase detection)。早期SLR的對焦系統在介紹Chinon CE-4s時說過(見本文開頭),在介紹第一台TTL自動對焦SLR Pentax ME-F時(見本文開頭)也簡單說明了對比檢定的觀念。SLR/DSLR的對焦系統在「Canon 350D移焦的困惑」(http://blog.dcview.com/article.php?a=UW8IawNlCjQ%3D)也約略提及,但本blog從來沒有仔細講過相位檢定(phase detection)的原理;以後一定會在「基礎知識」系列中講到,但在所需知識未說完之前不會談到它。抱歉!

alex chen  於2010.09.15 09:18  

冼老师,您好!
我是福建厦门的读者,很高兴能再初学摄影的时候看到您系统专业深入浅出的文章。我感到受益良多。
有一个问题想请教您。有人说非全画幅的数码相机镜头等于全画幅的1.6倍。50mm等于85mm.但我觉得是否不完全是这样? 以下是我的理解,您给指点一下:
我觉得之所以有差别是因为非全画幅相机的感光元件面积小,也就是无法把镜头所看到的东西都记录下来,损失了周围的一圈,于是相当于85mm镜头的视角。但我认为,它拍到的东西,和真的拿一个85mm镜头放在全画幅机器上得到的东西是不同的,因为50mm靠近被摄对象和85mm远一点拍,即使景物填充在画面的比例相同,由于不同镜头的空间压缩比不同,所得到的作品应该是不同的。简而言之,50mm放在非全画幅机器上拍到的东西是和85mm放在全画幅机器上的画面有所不同。 空间感不同。您觉得这样说对吗? 但我不知道这样到底有多大的不同,或者说50和85之间的差别几乎为零?对我这样的初学者来说,是否不必太在乎这个?

另外有人说同样像素的非全画幅机器拍到的作品的像素反而比全画幅的高,因为它的面积小就已经有这么大像素。 我觉得小一点的感光元件可不可以理解为小一点的底片?如果可以那样理解的话,站在同一位置拍同样的东西(比如一个人的半身像)洗出来都是R4大小的照片,比较下非全画幅拍出的影像大,那是否可以理解为把小一点的底片给放大了,因为他只是截取了一部分作为记录在感光元件上的信息。如果1:1冲洗,那照片就会比全画幅的小,人物的大小应该是一样的,但之所以显得大了,是因为大家洗出来的照片尺寸是一样大的。既然是放大了,那他的单位像素还有那么大吗?
如果50mm相当于85mm,站同一个位置,都用50mm拍全画幅拍的显得影像小,进入画面的范围大,那么,真用一个85mm的镜头来使用,拍到的影像大小范围和非全画幅机器50mm镜头一样的时候,同样1200万像素的全画幅机器得到的作品的像素是否就不比1200万像素的非全画幅的机器小了?

问这些只是好奇,我知道对我理解摄影可能没什么大的作用。谢谢老师能有空的时候回复。

我打算专拍羽毛球运动,不知怎样的机器才够,高ISO和对焦速度什么机器比较好?什么机器勉强够?谢谢老师的指导!!

ALEX

版主回應︰ 於 2010.09.15 14:39

(1) 視角片幅的問題請看:基礎知識:什麼是片幅、視角、與裁切因子? http://blog.dcview.com/article.php?a=BT4FYwVjBjA%3D 視角相同但片幅不同時最大的影響是景深,至於空間感、空氣感、ABC感、XYZ感等等是人為判斷(或喜好),難以量化客觀評論。

(2) 個人沒拍過羽毛球,不敢亂說,但對焦速度快的機種有其必要。如果是室內拍攝、機身的高ISO性能要好才能提高快門速度。大致上是中高級機型比較理想,但預算決定一切;不要忘了,鏡頭光圈不能太小,焦距要視拍攝位置而定,這一點個人無法回答(因為沒有經驗)。

alex chen  於2010.09.15 09:27  

冼老师,

您好!
另外还有两个问题请教您:
我想使用定焦镜头,但有点困惑
1.相机的机身是否和镜头搭配协调,入门级的机身和价格贵的镜头搭配会怎样? 会出现镜头效果体现不出来的情况吗?是否高级别点的机身就会使镜头发挥出色点? 是什么原因? 而1.5万元的机身是否就不能搭3000元的定焦镜头呢?

2.老师对徕卡X1怎么看? 如果我还没有入手单反相机,是否可以以它作为镜头组合之一来练习呢?

谢谢!
ALEX

版主回應︰ 於 2010.09.15 14:26

(1) 入門級機身和新頂級鏡頭相配不會有任何困難,只是入門級機身在性能和影像品質不如高級機身。

(2) 反過來,好機身配平價鏡頭也不會有什麼問題(特別是同廠產品)。平價鏡頭光學品質較差,在好機上使同時幾乎所有缺點都看得一清二楚。

(3) 沒有用過Leica X1,所以無法評論。

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