相机的对焦是什么意思？为什么需要对焦？景深是什么意思

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先说结论：对焦就是通过改变透镜与成像面的距离，使得拍摄物成像清晰。

什么是「成像清晰」，不严谨的理解就是：物体上一点发出的光线经过透镜后汇聚于成像底片上的同一点的时候，便是成像清晰。如图1所示：

图1 相机对焦情况

（请先忽略F1、F1’、f1’等符号的含义，后面会解释）

可以看到，图中左方小人头部A点发出的三个方向的光线，经过相机镜头后，汇聚于成像面上的一个点A’。你会问，那A点其他方向的光线呢？小人身上的其他点发出的光线呢？

A点其他方向的光线也汇于A’点。
小人身上其他点发出的光线，汇聚于成像面上的其他点。
即：
1、同一点发出的各个方向的光线，经过镜头后必定汇于同一点。
2、同一平面上的不同的点发出的光线，汇聚于同一对应平面的不同点。

这样，假设我们要拍摄的是小人，它能够在成像面上清晰成像，这时候我们一般就说「对焦于小人」，或者「小人是合焦的」。可以想象，与小人位于同一平面上的所有物体也必定是合焦的。也就是说，对焦对的是一个平面，不可能出现一个深度平面上A物体清晰而B物体模糊的情况。

但如果出现图2这种情况，A’点不在成像面上。我们就需要调整成像面与相机镜头间的距离，使得其回到图1的状态。也就是图3的结果。

图2 不合焦情况

图3 合焦情况

在图2到图3的变化中，看似是成像面做了移动，但在多数相机中，成像面是固定于相机某个位置的，对焦是通过镜头的前后移动实现的。这个移动大都是几毫米至几十毫米的，要比拍摄物到镜头的距离小得多，所以两图中小人与镜头的距离看起来像是相等。

景深

那么，在上图中，除b平面以外的其他平面是不是就“成像模糊”了呢？以c点为例，在成像面上没有严格汇聚于一点，而是形成了一小块区域。而人眼分辨能力有限，只要该区域足够小，在人眼看来就仍然是“清晰”的。因此，焦平面前后一定距离（深度）范围内的景物最终的成像都是“清晰”的，这一深度范围称为景深。

物体上点发出的光线在成像面上形成的模糊区域称之为弥散圆。之所以是圆形是因为光圈是圆形的。如果我们改变光圈的形状，“弥散圆”的形状也随之改变。

圆形光圈

心形光圈

光圈的大小除了影响进光量以外，对景深也有影响，下图直观的说明了：光圈越大，景深越小。

光圈影响景深原理图

下面说说图中其他符号的含义，也是相机成像原理的基本要素。

1. 凸透镜

首先，我们知道相机中的镜头使用的是凸透镜。什么叫凸透镜呢？两层含义，“凸”与“凹”相对，指镜片的中心比边缘厚（向外凸出），这样的镜片对光线有汇聚作用，反之则有发散作用；“透”是“透射”的意思，表示大部分光线能通过镜头，反射的光线很少，可忽略不计。

2. 焦点

对于凸透镜而言，焦点的定义为：平行于光轴的一束光线经过透镜之后汇聚于一点，该点称为焦点。或者是，光轴上某点发出的所有光线通过透镜之后成为一组与光轴平行的光，该点称为焦点。

图4 焦点

上图中的F点即为焦点。对于上述的定义，我们可以这样理解：若光线从左往右射入凸透镜，在右边汇聚于此点即为焦点；根据光路可逆原理，若光线从这点出发，从右往左射入凸透镜，在左方成为一组平行光，则该点也称为焦点。当然，焦点并不是只针对凸透镜的概念，对于凸面镜、凹面镜、凹透镜，焦点的定义会发生一些变化，不赘述。

3. 焦平面

焦平面的定义为：过焦点且与光轴垂直的面。从透镜的光学特性来看，焦平面上的任一点，发出的各个方向的光线经过透镜之后将成为一组平行光，当此点位于光轴上时（即焦点），透射后的平行光平行于光轴。

图5 焦平面

4. 主点、主平面

细心的读者会发现，图5中有两个焦点、两个焦平面，而且它们似乎是关于透镜对称的。实际上，图5将凸透镜简化成一个无厚度且完美对称的薄透镜模型，现在我们来研究这样的简化是否可行。先看图6:

图6 物方主点与物方主面

中间为一个凸透镜，光线在通过空气-镜片和镜片-空气时发生两次透射（图中实线）。而实际上我们研究成像规律时，光线在透镜内部的情况我们并不关心。当把入射光作延长线，透射光作反向延长（图中虚线），相交于一点，一个方向的光对应一个点，而且各条光线对应的点位于同一平面，该平面称为主面（principal plane）。这样，我们可以把实际的光路等效为虚线表示的光路，即：认为光线只在主面处发生透射。主面与光轴的交点称为主点（principal point）。习惯上，我们将物体画在图的左侧，因此上述为物方主面/物方主点。对应的有像方主面/像方主点，如下图7：

图7 像方主点与像方主面

5. 前/后焦点前/后焦平面

与主点/主平面类似，把物体一侧的焦点/焦平面称为物方焦点/物方焦平面，也称为前焦点/前焦平面（front focal point / front focal plane），把物像一侧的称为像方焦点/像方焦平面，也称为后焦点/后焦平面（rear focal point / rear focal plane）。

图8 前后焦点、焦平面

6. 焦距

不少资料这样定义焦距：焦点到透镜中心的距离。用f表示。它表征了透镜汇聚（或发散）光线的能力，焦距越小，透镜汇聚（或发散）光线的能力越强。可以把1/f定义为optical power。

焦距的表征含义容易理解，但是我们让我们来思考一下上述的定义是否有问题：“透镜中心”指的是什么？光学上的中心？几何中心？事实上，上述定义是基于前述的薄透镜模型而言的，认为透射只发生在一个没有厚度的平面，这个平面的中心自然既是几何中心又是光学中心。但是相机的焦距在几十到几百毫米的数量级，对于精确计算而言，两主面间的距离不可忽略，因此上述定义，以及“焦距就是焦点到光心的距离”之类的定义都是不严谨的。

维基百科里的定义如下：

如果你觉得这部分的名词太多太绕，没兴趣去细抠定义的话，只需要记住：我们常说的光心很多时候指的是主点，我们常说的焦距指的是(像方)有效焦距，即(像方)焦点到对应主面的距离。

7. 变焦

变焦=改变焦距。

其原理是通过镜头透镜组内不同镜片的相对位置变化来实现的。（具体过程我也并不是很了解。）
注意与对焦的区别，对焦是整个透镜组的绝对移动。图1到图2其实就是变焦的过程。

8. 易错点提醒

最常见的错误是，认为相机图像传感器位置(成像面)=像方焦平面。
以及，目标拍摄物体所在平面=物方焦平面。
（当然，很多犯这种错误的示意图连物方像方都不分。）
可以参见另一个问题：相机成像究竟是成在像平面还是成在焦平面？底片相当于像平面还是焦平面？

一些资料里把目标物体所在平面称为「对焦平面（World focal plane）」，该名称与焦平面（focal plane）中文多了个「对」字，英文多了个「world」，容易造成混淆。

总结一下：

对焦平面 ≠ （物方）焦平面
成像面一定不在（像方）焦平面上

最后献上总结所有知识点的一张图：

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