3.3 人类察觉细节的能力

所有的摄影师在谈论分辨率、调焦和景深（这三个词都为专业名词，我们会在后面的章节进行较为详细的介绍，先通过这一章节的学习对它们有一个大致的了解）时，很容易忽略一个有关人类肉眼观察极限的问题。这个问题与人眼能够看到影像多少细节具有密切的联系。人类的想象力是察觉细节的好帮手，也是人类所具有的能力之一，它能帮助你察觉数码相机所不能记录下的细节，照片打印机所打印不出的细节，甚至肉眼所不关注的细节，所以人类本身具有的感知能力在数码摄影中显得尤为重要。此外，数码影像传感器的尺寸通常都比35mm胶片的尺寸要小，所以数码相机生产商极力推广相机分辨率和那些优于传统相机的功能，以此在隐藏数码相机的不足之处。如右图所示，图中表现的是一种名为艾里斑的光斑，如果人的眼睛一直盯着它看的话，就会产生一种觉得自己的双手好像被捆绑住并渐渐陷入到其中的错觉。

1.艾里斑（天文学家乔治•艾里（Greorge Airy）是首先发现这种光斑现象的科学家）就是一个没有长度和宽度的并且与物理光斑相似的一个光的缺失伪迹。它并不存在于自然界中，因为它是光的衍射与人类视觉交叉所产生的伪迹而已。艾里斑会像光斑一样随着光线穿过空气、镜头和光圈等不同的介质而改变（此处的介质当然包括人的眼球和瞳孔，只要人类用眼睛看物体，就会产生这种自然界不存在的艾里斑）。

2.当光线通过附有杂质的空气和镜头时就会产生光的衍射现象。衍射所产生的杂斑其实是可以预测或观看到的，因为它就在光点的中心，然后会慢慢地退去并向光斑的边缘聚拢，最终在聚拢处重新合成一条光线。

3.如果你一边看着两个物体，一边渐渐地后退，你会发现这两个物体会慢慢地靠拢（其实是由于透视的原因）。这一原理同样适合于两个艾里斑，它们也会随着距离的变远而相互接近并且重合成一点。但事实上两个艾里斑之间是有距离的，此距离和艾里斑的半径相同，大约为0.27微米。我们将这一距离称之为“瑞利极限”。

4.当物体穿过瑞利极限的时候，物体的形状就会出现一种分离状态（如右图所示），物体的色彩信息会以多种细节的形式散失。但是在散失的过程中会出现新的完型信息。如果你近近地看着一面砖墙，你会看到墙面是由一块块粗糙的红色的并且四周被不同颜色和纹理的灰泥所包围的砖块砌成的。

5.看着墙和砖块上的光点并渐渐地退后，到一定距离后，它们会穿过瑞利极限，墙和砖块的色彩会相互掺合。首先墙的颜色会变得更为统一，再退远一些之后，一块块红砖会模糊地融入到墙体之中。这样一来虽然会失去很多（诸如墙体中砖的形状和色彩）信息，但毕竟墙是由砖砌成的，只是信息缺失之后使你的眼睛看不到它的存在而已。现在你应该明白了吧，简单的一面墙也会随着距离的变化产生信息的转换，但这些转换只有细心的人才能发现，因为墙自己是不会告诉任何人的。

分辨率

基于艾里斑的物理性质之上，镜头生产商以一组黑白线条为标准建立了一套测算分辨率的标准方法。当然，这需要一些条件的配合—①20/20vision(表示视力很好)；②非常理想的光照条件；③眼睛和物体之间具有特定的距离；④特定的色彩明度和对比度—在以上四个条件的配合之下才能完成对分辨率的测算。但是在测算分辨率的时候，还要预测用此分辨率拍摄出的照片的最大扩放限度。此外，科学家通过对人眼敏锐度的研究得出，具有正常视力的人们，其眼睛能够分辨出非常细小的物体。因为人眼的视觉敏锐度是非常高的，大约在1米的距离人的视角倒数为0.003弧分，所以人类在光学上的感知比一些科学测算的结果还要精确。

1. 光学工程师测量分辨率的标准是在1毫米的位置放置13组黑白线条（黑白线的尺寸不详），人在距离它们1毫米的地方看到它们的尺寸就是一个分辨率的尺寸（如下图所示）。如果黑白线条的数量超过13组，人的视觉就会被引入灰色的区域值为30微米的瑞利区域。

2. 光斑能够不受艾里斑扭曲的干扰，但是能在打印完成的照片上显现出来。如果它的尺寸小于30微米，在照片上则不明显，也就是说仍然在照片清晰的标准之内。但是如果它大于30微米，它就会以模糊点的形式出现在照片上，其数值越大模糊点也就越大。这就是我们一直想知道的有关照片清晰的视觉概念，也就是我们通常所说的这是一张对焦正确的照片。
 

3.4 镜头对焦成像的工作原理

不知道孩提时你是否经历过，在一个炎热的夏天，手里拿着放大镜在户外寻找可以被点燃的物体。比如你觉得树叶可以被点燃，你就会把放大镜举在太阳和树叶之间，前后移动放大镜来寻找太阳穿过放大镜之后的聚光点（形状类似于小太阳的光点）并把它射到那片倒霉的树叶上。几秒钟之后，树叶会冒出青烟，随后，突然冒起火花。这一系列行为其实与相机的聚焦具有相同的原理，但它只是一个小把戏罢了。

在相机中成像，不是只用玻璃片或塑料片来弯曲光线所能实现。当然，相机也需要通过镜头对入射的每一束光线进行弯曲，而且每一条光束的路径都是不相同的（除了位于透镜中心的光线），但是它们都会被校正到正确的位置。

2 要形成上述树叶上的聚光点，也就是焦点，必须使光线从不同角度射过放大镜片（正透镜）从而形成焦点。正透镜具有相当光滑的曲线表面，中间厚四周薄的特性使其形成了表面弯曲如球的形状。此外，笔直穿射过镜片中心（即沿着镜片的中轴线射入镜片）的光线，由于射入镜片时没有任何角度，所以这条光线是惟一没有被改变路径的。

3 其他的光线则平行于那条笔直的光线穿过光滑的曲线表面，形成弯曲的带角度的光线，距离镜片中心越远的光线弯曲的角度越大。穿过正透镜片的光线会在中心轴（笔直的光线）上汇合成一个焦点，也就是树叶被点燃的那个地方。正透镜俗称放大镜，通常用它来放大文字帮助人们（特别是老人）阅读。

4 负透镜与正透镜正好相反，它具有凹陷的光滑的表面(凹面)，镜片的中心很薄但是四周很厚。负透镜可以帮助看不到远处物体的人们（近视眼患者）恢复视力。

5 光线穿过负透镜时，光线是呈发散状的，它们会距离中心轴线越来越远，而且光线也不会汇合成令树叶惧怕的焦点。如果将发散的光线向反方向延伸，光线会在透镜的另一侧汇合成一个虚拟的焦点（虚焦）。

6 聚焦成一个清晰的图像并不是使用单个透镜就能够完成的。相反，成像需要多种不同类型的透镜（镜头组）组合在一起，并通过调整才能实现对不同距离物体的对焦。此外，镜头组还决定着单个透镜的焦距。焦距是指当镜头被设定为无限远的模式时，焦平面与后节点之间的距离。补充一点，后节点不一定非在透镜的后面，它也可以在透镜的前面。

彩虹中弯曲的光线

在光线穿过透镜时，不是所有的有色光线都会改变原有的路径。因为不同的有色光线具有不同的波长（波长的概念在之前已有详细阐述，所以就不再重复了），所以它们的弯曲角度也大不相同。（如下图所示）

当光线穿射过雨滴时，雨滴就充当了透镜的角色，把天空中的光线转换成了光谱中的各种颜色。这就是为何彩虹是只在水汽中形成的道理。当把上述原理应用在相机中时，我们称之为色差。在这种情况下拍出的照片，片中主体物的边缘会出现紫边现象或色晕（如右上图所示）。此外，一种由两种物质混合制成的镜头可以消除这种紫边现象，因为两种物质的折射率不同，从而产生了有色光线的相互抵消，从而防止紫边现象的产生。还有，我们可以通过电脑修图软件（如Photoshop）对照片进行后期处理，从而消除色差。（如下图所示）