焦距與視角的換算(原理和推導)--讓你明明白白

假設各位了解視角的定義、焦長的定義庐冯、凸透鏡成像原理展父,以及它們的變化對成像畫面有何影響,這里只是單純的提供視角與焦長的轉(zhuǎn)換原則旭等,簡單的說:影響視角的因素衡载,包括焦長及底片(或感光元件)的片幅大小。


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在許多情況下弃榨,我們常將鏡頭視為一等效的薄凸透鏡鲸睛,此舉可忽略很多光學設計上的細節(jié)與考量坡贺,但觀念方面則是相符的。
這張圖片定義了鏡心(或稱光心)的位置O拳亿,焦點的位置F等愿伴,其中OF線段即焦距(focal length)隔节,而OF線段的延長線稱為光軸(optical axis)寂呛。在此例中瘾晃,光線由左而右穿過鏡片酗捌。

回憶老師說過,平行光軸的光線將匯聚于鏡后焦點,即F的位置阀圾,如下圖所示:
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然而初烘,底片(或感光元件)是一個平面,并不是一個點而已哆料。其中A與B分別表示底片(或感光元件)兩個端點在此側(cè)面圖的位置吗铐。
光線是四面八方而來的唬渗,圖中的A、B兩個位置也會被照顧到:
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最后壮啊,我們整理出底下這張圖片撑蒜,其中CW線段與DZ線段(透鏡左方的兩條紅線)所圍出來的角度便是取景范圍座菠,即所謂視角(Angel of View)。

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公式推演
接下來是公式的推演份企,根據(jù)上圖:
∵CW線段與OX線段平行司志,且DZ線段與OY線段平行
∴「CW線段與DZ線段的夾角」即「OX線段與線段OY」的夾角,亦等于「OA線段與OB線段」的夾角囚霸。
讓我們將夾角稱為θ激才,OF長度(焦距)稱為f,將AB的長度(片幅)稱為L劣挫。

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■若已知焦距压固,片幅靠闭,欲計算視角:
∵tan(θ/2)=(L/2)/f
∴θ=2*atan((L/2)/f)
■若已知視角愧膀,片幅,欲計算焦距:
∵tan(θ/2)=(L/2)/f
∴f=(L/2)/tan(θ/2)
以上公式都是利用已知的兩項條件芬为,去計算第三項數(shù)據(jù)這里補充對L(片幅)的說明狼钮,以135相機的片幅為例:

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雖然可以代入36mm與24mm而分別計算水平視角或垂直視角熬芜,但如果沒有特別說明,我們通常以最大視角為準瑞侮,即代入對焦線長度43.27mm鼓拧。
計算實例
■50mm的焦距在135相機(底片對角長度約43.27mm)上的視角:
θ=2atan((L/2)/f)=2atan((43.27/2)/50=46.8°
■50mm的焦距在佳能EOS10D/300D(感光元件對角線長度約27.26毫米)的視角:
θ=2atan((L/2)/f)=2atan((27.26/2)/50)=30.5
■反推季俩,視角30.5°的鏡頭在135相機(底片對角長度約43.27mm)上的焦距:
f=(L/2)/tan(θ/2)=(43.27/2)/tan(30.5°/2)=79.36mm
■在剛開始的薄透鏡圖中‥
焦平面位于焦點位置,很顯然的店归,這表示對焦于無限遠的時候,
也因此被對焦物的光線才會以平行的形式進入鏡頭且叁,此時最利于后續(xù)的公式推導秩伞。
對焦位置不在無限遠怎么辦纱新?還是可以推導公式,但幾何作圖會變得相當復雜带饱,必須加入像距的考量阅羹。
■關于焦長轉(zhuǎn)換率‥
在最后兩個計算實例中教寂,我們得知50mm鏡頭接在D30/D60/10D/300D機身上面時酪耕,視角為30.5 °,
而30.5°在135相機上約是80mm鏡頭的視角看尼,故所謂1.6X焦長轉(zhuǎn)換率來自于此盟步。
焦長轉(zhuǎn)換率是經(jīng)等效視角所求得,但從另一個角度看狰域,根據(jù)公式:
θ=2atan((L1/2)/f1)=2atan((L2/2)/f2)=L1/f1=L2/f2=L1/L2=f1/f2
換句話說黄橘,焦長轉(zhuǎn)換率其實就是對角線長度的比值塞关。
這項原理讓我們在計算焦長轉(zhuǎn)換率時不需代入視角的值,而直接用兩種片幅的對角線長度去計算小压,
不過要記得它們?nèi)匀皇菑牡刃б暯堑膿Q算而推導出來的。
43.27mm/27.26mm=1.59≈1.6
一般消費型數(shù)位相機可能加掛廣角或增距鏡缠导,外掛鏡頭所標示的倍率同上原則;
或者溉痢,不妨加掛鏡頭拍一張孩饼,不加鏡頭拍一張髓削,求成像的邊長比例,亦可得該外掛鏡頭所造成的倍率變化镀娶。
■對應圖

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注:這個公式是有局限性的立膛,只適合于透視投影鏡頭,中長焦的可以使用梯码,因為在小視角下各投影方程誤差太小了宝泵。相反,在大視角下不適用轩娶,因為在大視角下不同投影方法大不一樣儿奶,此時這個公式只能用于畸變控制很好的廣角鏡頭。對于魚眼鏡頭鳄抒,都使用等距投影法闯捎,這樣實際焦距比你用上面的算出來的小得多许溅。比如瓤鼻,220°魚眼是6mm,如果用上面的公式算贤重,都是負的焦距茬祷。

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