Introduction

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Overview 總覽

Research interests 研究興趣與專業:

1. Dynamics of solid-state and fiber lasers 固態雷射與光纖雷射
2. Photonic and multifunctional materials 光電與多功能材料
3. Optical properties of wide bandgap ZnO semiconductor 寬能隙氧化鋅光電特性
4. Photon transport phenomena and quantum optics in photonic crystals
光子晶體之光學傳輸與量子光學現象
5. Dynamics of microcavity polariton Bose-Einstein Condensates
微腔光極子波思-愛恩斯坦凝聚現象
6. Light-field imaging and optical system design 光場解像與光電系統設計

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2021年1月19日 星期二

第二章 光如何成像(二)

   焦距和影像尺寸

簡單鏡頭的焦距是讓無限遠處的物體清晰對、焦形成影像的距離。實際上,通常焦距考慮了玻璃的類型(其折射率)及其形狀。鏡頭的彎曲能力由其焦距長度來表示,或定義屈光率(Diaphor)等於鏡頭焦距長度的倒數,也就是說,具有長焦距的透鏡具有相對弱的彎曲能力(較小屈光率),需要較長的距離才能將光線彎曲到焦點。鏡頭焦距越短,屈光率越大,鏡頭聚光的力量越強。影像細節的尺寸也比使用更長焦距鏡頭成像的相同物體小。所以彎曲光的能力就越大。相反的,鏡頭焦距越長,屈光率越小,所以彎曲光的能力就越小,影像細節的尺寸越大。

    隨著被攝物體的靠近,獲得清晰對焦所需的鏡頭到影像的距離會變遠。被攝物體越近,鏡頭與像平面之間的距離就越大。這就是為什麼在設置近距離時會看到相機鏡頭向前移動的原因。而對於真正近距離的拍攝,您可能必須使用微距鏡頭或在鏡頭和相機機身之間加裝一個延長管。這對於簡單的單個被攝主體來說不是問題,但是對於那些同時具有遠距和近距細節的場景又要如何聚焦呢?幸運的是,相機鏡頭可以通過光圈控制實現這一點,我們將在下一章中看到。

使用放大鏡和描圖紙親自檢查這些聚焦效果。在暗房中使用單個明亮的物體,例如書桌或檯燈。請注意,當您靠近或遠離主體時,鏡頭和紙張之間的對焦距離會如何變化。了解(至少大致了解)獲得清晰影像的位置和大小,特別是在拍攝特寫鏡頭或烈印不尋常的尺寸放大影像時,總是有幫助的。

影像大小 vs.物距和像距

我們定義:F =焦距、M =放大倍率、I =影像大小、O = 物體大小、V =像距(鏡頭到影像的距離)、U = 物距(鏡頭到物的距離),則放大率為M(其實攝影大都形成縮小影像M<1):

M = I/O= V/U(V/F) – 1I = O×M O = I / M

物距與像距的公式:1/F=1/U+1/VV = ×M F(M +1)U =V/M= F(M +1)/M 


不使用通過透鏡測光

近攝曝光亮增加,當您使用不直接通過相機鏡頭測量光時,這一點很重要。近距離拍攝時,必須給予額外的曝光量(通過光圈或時間)。當被攝對象的距離比鏡頭焦距約4.5倍近時,或者當影像尺寸大於被攝對象的尺寸的六分之一時,這種增加變得很明顯。在這種情況下,假設您將使用單獨的手持測光儀測量曝光量,則測光儀讀出的曝光必須乘以: 。例如,您可能使用具有80毫米鏡頭的相機來拍攝100毫米高的物品,得到向高為50毫米。手持儀表在f/16時讀取1/2s。根據上述公式,放大倍數為0.5,因此曝光需要乘以2.25倍。因此,最接近的可用設置可能是f/16時為1 s

摘要

  • 光沿直線傳播,就像在波動。波長測量以納米(nm)為單位。可見光形式電磁輻射範圍更廣的一小部分。它以光子的形式傳輸能量。
  • 您的眼睛將400 nm700 nm之間的波長識別為紫,藍,綠,黃,紅可見光譜。如果一起出現,則所有顏色都被視為白色光。
  • 由相對緊湊的直接光源照射的物體會投射出粗糙的硬邊陰影。大面積光源發出的光(包括散射的硬光)使陰影的邊緣柔和得多。
  • 不透明的材料吸收了一些撞擊它的光,然後反射其餘的光。
  • 光滑,有光澤的表面會產生鏡面反射-直接光在很大程度上以一種方式反射。傾斜照明會以與接收到的光相匹配的角度從此類表面反射回來。啞光錶面在各個方向上更均勻地散射反射光。
  • 透明材料直接透射光;半透明的材料將其擴散。從一種透明材料傾斜入射到另一種不同密度的光,在更密集的介質中會更垂直地折射(彎曲)。
  • 有色物質吸收並反射或根據波長選擇性地透射光。外觀隨照亮它們的光源顏色而變化。 
  • 每當距離光的距離加倍時,表面從直接的緊湊型光源接收到的照明量將四分之一。
  • 因為光是沿直線傳播的,所以不透明材料中的針孔會形成被照物體的粗略的顛倒影像。 
  • 會聚的透鏡通過彎曲來自被攝對象的一束髮散光束來提供比針孔更明亮,更清晰的影像使它收斂到焦點。
  • 清晰對焦的位置取決於鏡頭的屈光力和被攝體距離。亮度取決於鏡頭直徑。
  • 鏡頭光焦度通過焦距顯示。在簡單光學中,這是鏡頭和無限遠處物體的清晰影像。焦距越長,產生的影像越大。
  • 與遠處的被攝對象相比,近處的被攝對象離鏡頭更遠。鏡頭前兩個焦距的被攝體在鏡頭後兩個大小相同的焦距下成像。放大倍數是影像高度除以被攝體高度。


練習:

1、拍攝針孔彩色影像。將單反35毫米相機的鏡頭拆下,並在鏡頭的位置貼上廚房用的鋁箔紙,就是簡單的將鋁箔綁在連接環上,然後在鋁箔中心用針刺穿一個直徑約0.3毫米的小孔。鋁箔不要彎曲不平且這個小孔不要有參差不齊的邊緣。您可以透過相機取景器,設定手動曝光時間。如果影像太暗而無法獲取讀數,將相機的ISO設置提高或加長曝光時間。您可能需要嘗試如果曝光時間較長,則可用B快門曝更長(>30秒)的時間。

2、用閱讀用放大鏡練習在描圖紙上成像。在黑暗中的房間,並使用點燃的蠟燭或檯燈作為您的物體,將物體放置在放大鏡前,並將描圖紙立著黏貼放置在放大鏡的後面(與物體不同邊)。先將物體放置在遠離放大鏡的位置,移動描圖紙以便尋找成像的位置。找到清晰影像後紀錄下物體與放大鏡的距離(物距)和成像的大小。繼續移近物體(縮短物距),重複觀察與紀錄,最後綜合您的發現。

2021年1月17日 星期日

第三章 鏡頭控制影像(一)

 

在介紹了鏡頭如何成像的基礎知識之後,我們現在探索如何控制相機上的鏡頭來改變影像的呈現方式。主要是控制光圈(通常稱為f-數)。光圈可調節影像亮度和可以在一種設置下清晰對焦被攝主體的距離範圍。了解製作影像所需的時間和方式對建立整體清晰度或顯現影像細節非常重要。不同格式(圖片大小)的相機之間也出現了一些差異。

攝影鏡頭

如上一章所述,一個簡單的玻璃透鏡比針孔可以產生更高清晰度的影像。針孔成像即使被攝物體只有一距離,影像清晰度也很差,無法在整個影像上保持均勻。簡單的單透鏡所成的像通常會扭曲被攝物體的形狀,產生奇怪的條紋或產生一般的「雜色」外觀。這樣的結果給人一種非常特殊的感覺,有時被描述為「氛圍」或「浪漫」。從某種意義上說,與經典的清晰細節照片相比,它們與現實相距甚遠,看上去像是「超凡脫俗」,但這並不總是人們想要的影像,因此通常您會希望使用能夠產生高清晰度與細節影像的鏡頭。

攝影器材設計和製造主要是考慮能夠最大程度地減少光學缺陷(稱為「像差」aberration)的鏡頭,同時獲得盡可能高的細節分辨率和影像亮度。為此,相機設備製造商使用一系列特殊的光學玻璃,每種類型的玻璃具有不同的折射率和色散特性。攝影鏡頭具有「複合」結構,它包含一系列不同形狀的光學鏡片,並由不同類型的玻璃製成,以幫助消除像差。 實際上,標準焦距的相機鏡頭通常具有58個光學鏡片。它們在鏡筒內置中且彼此的間距至關重要。

  但是,多個數量的鏡片會引起問題,雖然每個玻璃表面上的反射光比例很小,散射光成倍增加。如果不進行校正,結果將會降低影像的對比度和產生眩光,就像從帶有多個雙層玻璃的窗戶看一樣。因此,最好的鏡頭內的每個鏡片的每個表面都要鍍一層或多層極薄的透明材料來幾乎完全消除大多數的內部反射。但是,如果您朝著影像區域外的明亮光源拍攝(並且未使用遮光罩),則明亮光線可能造成耀斑。因此,您的相機鏡頭是相對較厚的鏡筒,它們全部折射光,但總的來說會產生聚光效果。攝影鏡頭的焦距(通常以毫米為單位)都會清晰地刻在鏡筒或前面的固定環上。

相機鏡頭執行三維空間的透視轉換

一個相機的鏡頭將一個三維的物體轉換成一個三維的影像;而二維數位光感測器或底片,則是對這個三維影像做二維切片來萃取二維平面影像。


上圖是以薄透鏡為例子的成像系統,用來呈現空間的透視轉換。當物體在光軸上(Z-方向)線性(等距離)移動時,其影像呈非線性(不等距)的移動,即在Z軸上不成比例地移動。相反地,當您將透鏡相對於感測器做線性移動時,對焦的物平面的位置也呈現不成比例地移動。當您的相機重新對焦時,影像大小也會隨之改變。一條平行於光軸的光線通過等高的三個箭頭,會都通過後焦點F’。但是分別連結等高的三個箭頭到鏡心的三條光線,通過透鏡後與前述的平行光軸的光線分別相交於三個不同的成像點(不同高的三個倒立箭頭)。我們可以發現,一樣大小的物(等高的三個箭頭)沿光軸等間距排列,它們分別成像在像空間的不同位置,除了大小有很顯著的差距之外,越接近透鏡的物所成的像越遠離透鏡,並且所成的像也越大。由於與鏡頭的距離遠近,導致由(前)鏡心畫出的透視線與光軸的夾角不同,造成一樣大小的物成像之後的大小和與光軸的夾角不一樣,這種結果稱為透視現象。而透視線與光軸的夾角稱為透視角。

透視錐

在物空間中的一個正立方體,由透鏡轉換成像空間的三維透視錐圖中的箭頭表示成像後的方向,由於較近的物體的影像比較遠物體的影像來得大,所以形成變形的透視錐。在透視錐中與光軸不垂直的四條透視錐邊(紅)線,不再互相平行。他們的延長線最後會交於焦點上。透視錐的邊(紅)線與光軸的夾角就是透視角。透視角越小,透視錐邊線與光軸的夾角越小,透視錐變形越小,影像的變形也越小。攝影的時候,感測器從3D的視錐中萃取2D切片。在這個切片上,只有某個物的位置的影像對焦得很好,所以影像是銳利的,但其它位置形成模糊的影像;這些影像被同時記錄在感測器上。

我實際用變焦鏡頭拍攝兩個相同大小的標示紅色和藍色塑膠瓶。我分別是以接近標準鏡頭焦距43 mm和兩個廣角焦距21 mm 9.3 mm拍攝的結果。拍攝的時候除了調整焦距之外,也同時移動相機靠近被攝物體,以便保持前景的紅色塑膠瓶成像(在感測器上)大小一樣。我們可以發現隨著使用的焦距變短,不但藍色塑膠瓶相對於紅色塑膠瓶變小,即透視錐沿光軸方向的比例變大或透視角變大。

因為拍攝角度變大和透視角變大,視覺效果上它們之間的距離也逐漸變遠。這是因為在相同感測器大小之下,短焦距透鏡具有較大的視角和視野。另外,我們可以發現因為短焦距透鏡成像的透視錐的對比很大和透視角很大,如9.3mm拍攝的結果,紅塑膠瓶已嚴重的變形。

視角和視野

在攝影學中,視角是相機可以接收影像的角度範圍。相機的視角不僅取決於鏡頭,還取決於感測器尺寸。如果感測器小於35mm24mm x 36mm)底片格式,將導致數位相機鏡頭比35 mm底片相機鏡頭具有更窄的視角。假設一個相機的感測器或底片的尺寸為d和焦距為f,由感測器的邊緣畫線通過鏡心的最大角度 ,稱為視角;而在物平面視角所圍成的範圍稱為視野(藍色箭頭所示)。https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_view

焦距和視角

一般全幅35mm相機的視角對焦距長度的關係如下圖所示:

  鏡頭可以從非常廣到非常狹窄的視角拍攝到鏡頭前的各種場景。人眼的自然視野約45°,因此,覆蓋該角度的相機鏡頭被視為正常或「標準」鏡頭。它大約等於相機圖片格式的對角線。換一種說法:

  • 對於焦平面35mm24×36mm)的相機,標準鏡頭的焦距約為50mm的鏡頭,因為焦平面對角線長約43mm
  • 對於60×70mm的膠卷相機,標準鏡頭約為80–105 mm
  • 對於APS17×30mm)圖片尺寸的相機,普通鏡頭為25mm
  • 袖珍數碼相機有一個4.8×6.4mm的微型感測器。標準鏡頭通常只有6–10mm
  • 專業數位單反相機(DSLR)擁有所謂的24×36mm全畫幅感測器,因此就像35mm膠片相機一樣標準鏡頭焦距為50mm

以上所有組合均提供約45°的視角,因此拍攝相同距離的對象,每個相機將包括大約相同的場景。在相同視角下,鏡頭焦距越短產生的影像越小。較大焦距的鏡頭適用於較大的相機,使用小型相機的短焦距鏡頭可提供相同的視角。

對焦運動

最便宜的簡單相機具有所謂的無焦點鏡頭。這意味著相機的鏡頭被固定在預先設定對焦在距被攝對象約2.5m的位置。這是快照的典型情況,由於景深的原因,稍微靠近或遠離的被攝對象 仍然會顯得相當清晰。這樣可以降低成本,但由於局限性而不理想。

所有相機鏡頭都包括一些向前或向後調整其位置的方法,以分別對焦更近或更遠的物體。通常,整個鏡頭會在套筒內平穩地移動一厘米或更多(或內部元件會改變位置)。可以通過旋轉鏡筒手動對焦或在自動對焦感測器的控制下通過馬達來調節對聚,該感測器可檢測影像是否清晰。

傻瓜相機通常在鏡頭上沒有距離標記。相機可提供更好的鏡頭控制。所有單反光相機鏡頭顯示被攝物體的距離並會朝著被攝體設置距離標記移動。因此,可以通過估計被攝體距離或用捲尺來實際測量,完全不需通過取景器來設置對焦點,在光線很暗的情況下很有用。

大多數鏡頭可以對焦在無窮遠(),這意味著被攝物體的距離(物距)幾十米遠之外。相反地,鏡頭可拍攝的最接近的物距取決於許多因素:機械上,可能很難將鏡頭繼續向前移動。焦距越長的鏡頭,調整對焦所需的物理運動就越大。由於鏡頭是帶有取景器的相機的一部分,因此可能有意防止近距離對焦。越近工作,畫面取景就變得越來越不准確。有時,鏡頭可能無法在近距離保持相同的高影像光學分辨率。

 光圈與和f-

在大多數攝影鏡頭旁邊,您會看到一個大致圓形的孔或「光圈」,位於前後元件之間的中間位置。通常,一系列重疊的黑色金屬刮片(稱為虹膜光闌)可縮小此光圈的大小從全透鏡直徑一直延伸到透鏡的中心部分。可通過鏡筒外部的定位環或調整桿進行調整。在單反相機上,轉動調整環時,您可能看不到光圈實際改變,除非您先從照相機上取下鏡頭。在這些相機上,光圈通常保持敞開狀態,直到實際曝光時刻,才會將光圈關閉至設定值。相機或鏡頭上有一個「預覽(PV)」按鈕,可讓您檢查關閉光圈的效果。轉動光圈調整環時,您可感覺到「喀喳」的一系列的光圈設置,稱為f-數的數字顯示。請注意,光圈越小,對應的f-數越大。它們通常依照下列方式運行:

f/1.4 f/2 f/2.8 f/4 f/5.6 f/8 f/11 f/16 f/22

f-數遵循國際公認的與影像亮度有關的標準序列。在上述順序中,f/1.4是最寬的光圈,可讓最多的光通過,從而獲得明亮的影像。 f/22是最小的,僅允許一小部分光通過,從而允許更大的景深,在非常明亮的日子中最有用。請注意,光圈刻度超出了上面的例子,在許多鏡頭上,光圈通常大於f/1.4且小於f/22。從最大光圈每調下一個擋(stop)都會使通過鏡頭的光量減半。由於光圈位於鏡頭中心,因此可以使整個影像均勻變暗或變亮。

使用f-數系統意味著無論相機大小或焦距如何,只要設置為相同的f-數,任何鏡頭都可以提供標準的影像亮度。您可以更換鏡頭或照相機,但是在快門速度和ISO等級保持恆定下,您只要設置相同的f-數,影像亮度就將保持恆定。

f-數如何運作

f-數表示光圈有效直徑除以透鏡焦距。因此,f/2表示將光圈直徑設置為焦距的一半; f/4是光圈直徑設置為焦距的四分之一,依此類推。每個f-數都考慮了兩個主要控制著影像亮度的因素:

1鏡頭和影像之間的距離。對於遠處的物體(鏡頭對焦在無限遠處),影像在距鏡頭焦距處形成。光的平方反比定律表明,與光源的被攝物體表面的距離加倍時,它所接收的光將變成原來的四分之一。因此,例如焦距為100毫米的鏡頭基本上只能形成50毫米鏡頭的四分之一亮度的影像。

2光束直徑。將光圈直徑加倍會使光圈的面積增加四倍。因此,如果第一個透鏡的光圈通過一個12毫米寬的光束,而第二個只有6毫米寬,那麼第一張影像的亮度是第二張影像的四倍。

如果100毫米和50毫米的兩個鏡頭都設置f-數為 f/8的光圈下工作,因為它們的影像相同亮度。由f- = 鏡頭焦距÷有效光圈直徑,得:100÷1250÷6,即光圈分別打開126毫米。實際上,當非常近距離拍攝時,f-數與亮度的關係不再成立,因為鏡頭到影像的距離(像距)會與焦距相差很大。

f-數設置通常也稱為「擋(stop)」。在早期攝影中,在所有的光圈膜片都是擋塊,每一塊擋塊都是由一片薄金屬片,上面打了一個所需大小的孔做成,然後滑入鏡筒的插槽中。因此,攝影師說「往下擋」,表示換成較小的光圈,較高的f-數。相反的動作是「打開」。

在實踐中,您會發現f-數刻度的上限和下限隨鏡頭的不同而不同。大多數小幅面相機鏡頭的擋數會下降到f/16f/22。較大的相機鏡頭設計會持續降低至f/32f/45。較小的光圈可用於增加景深,但是如果過分放大f-數(縮小光圈),繞射會破壞影像細節。

鏡頭最大光圈的f-數以及焦距、名稱和參考號碼都刻在鏡頭框上。你可能會發現兩個鏡頭雖然有相同的焦距,但一個鏡頭的成本幾乎是另一個鏡頭的兩倍,只因為它具有最大光圈大一個擋次。為了在較弱的光線下拍攝或使用較快的快門速度而付出的代價可能是昂貴的,尤其是當您可以購買出色的超快速鏡頭時。但是,「更快」的鏡頭可能具有更高的整體光學品質。與以往一樣,這是性能與價格之間的問題,但請注意,數位單反相機特別受益於高品質的光學鏡頭。



2021年1月14日 星期四

第二章 光如何成像(一)


我們從暸解什麼是光線開始,因為光線是攝影的本質和基本要素。到底什麼是光?當您照亮物體並使用鏡片和學習色彩,這可以幫助您了解光的哪些基本特徵?從光線和顏色出發,我們繼續討論主體的表面如何讓它看起來像它該有的樣子,以及光線如何通過玻璃彎曲(折射)以建立可用的影像。

鏡頭是任何相機的心臟。從簡單的放大鏡開始,您可以開始了解攝影鏡頭如何成像。稍後,這將帶您進入相機設備的其他關鍵組件,並使您了解在創作高品質照片時重要的因素是什麼。

光線以直線傳播,這張iPad mini拍攝的台南二寮日出照片中清晰地顯出光線穿過雲層讓行進的方向非常明顯。您無需了解光學即可拍攝出優質的照片,但了解光的行近方式以及鏡頭如何將光形成影像,可以讓您更廣泛地了解攝影。攝影所涉及的原理非常簡單,很容易暸解。

光本身

光是看到和製作影像的基礎。「攝影」一詞本身就是「用光繪畫」。然而,我們對光非常熟悉,幾乎將其視為理所當然。光是您的眼睛敏感的東西,就像您的耳朵對聲音和您的舌頭對味道敏感一樣。光線為我們翻譯了世界,使我們可以透過眼睛觀看。有選擇地使用光線,您可以在相機前面選定拍攝對象的某個面相,並抑制其他方面。視覺信息以調制光的形式通過相機鏡頭傳送到照相感光材料上,而光從最終的沖洗好的印刷品或螢幕的照片反射,使我們能夠看到並欣賞它。此時,從照片反射的光像聲音讓耳朵聽到一樣,將影像的信息帶入您的眼睛,就像我們在聊天,聲音形成鏈接。但是光到底是什麼呢?

可見光是從太陽或類似的輻射源的能量流。它具有四個重要特徵:

1、光的行為就像漣漪穿過水面,好像波浪一樣移動。波長的變化會給我們的眼睛帶來不同顏色的感覺。

2、光在均勻的物質(或介質)中沿直線傳播。您可以看到陽光的「光束」以及陰影如何形成。

3、光以極快的速度移動,在真空中大約每秒300,000公里,它在空氣中的移動速度稍慢,而在水或玻璃等較稠密的物質中的移動速度更慢。

4、光還是由許多具有能量的粒子(稱為「光子」)組成。這使得染料漂白,底片中的化學變化以及數位相機感測器的電子響應等。光越強,光束中所包含的光子就越多。 

波長和顏色

光只是「電磁輻射」的一部分,電磁輻射包括波長可達數百米,直至伽瑪射線和宇宙射線,其波長小於千分之一奈米。每個電磁輻射帶都與下一個互相重疊,但具有自己的特殊性質。某些設備(例如無線電設備)可以遠距離傳輸。 X射線等其他射線會穿透厚鋼板,或破壞人體組織。但是,大多數輻射無法直接被人眼「看見」。我們的眼睛僅對大約400700奈米(nm, 10^-9 m)之間的窄帶敏感。 因此,有限的波長範圍稱為可見光譜。

當光源產生相對均勻的所有可見波長的混合時,光看起來是「白色」而無色。但是,如果僅存在某些波長,則該光看起來是彩色的。例如,大約400 nm450 nm之間的波長被視為深紫羅蘭色。如果波長改變為450–500 nm,則該顏色變為藍色。在500 nm580 nm之間,光看起來為藍綠色,從580 nm600 nm我們看到黃色。如果光波長變為更長在650 nm下看起來紅色,到達700 nm的極限變暗反應。所以光譜的顏色:紫、藍、綠、黃和紅色,真的都是存在不同種類白光。 

人眼裡包含三種錐狀彩色光受體(接收器),它們響應藍色、綠色和紅色波長的寬重疊帶。當您看到的所有三種受體均受到相同的刺激時,您傾向於體驗為白色或中性灰色。如果波長存在很大的不平衡,也許光包含紅色(長)的光波比藍色(短)波多得多,那麼刺激就不均衡了。在這種情況下,燈光看起來像是橙色,就像每天日出或日落時一樣。

嘗試記住可見光譜的顏色順序。當您需要了解人眼對顏色的響應(色調或色階)用來構圖、或者選擇濾色鏡和暗室工作燈時非常有用。稍後,您將看到如何將三個人類彩色視覺受體的概念來共同響應出全光譜,從而使數位彩色感測器能正常工作。

陰影

從小光源或點光源向各個方向輻射的光,沿直線向外傳播,諸如燈泡或蠟燭之類的小型光源會發出刺眼的光線,並帶有深而尖銳的陰影。晴朗的天空中的太陽(或月亮)也有類似的現象。小型閃光燈或手電筒也可以產生類似的效果。使用小型檯燈或類似的燈嘗試一下,這是一個有用的練習。將描圖紙放在光束中或遮擋直射光,並將其餘部分反射到粗糙的白牆上看看會發生什麼事情?描圖紙可以讓光線通過,但也會將其擴散。穿過描圖紙的光散射成新的光線從其大表面積的各個部分向各個方向輻射。現在,您要照亮的對象會投射出邊緣較柔和的漸變陰影,並且漫射材質越大和越靠近物體,陰影就會變得越不「硬」且反差越小。 這是因為來自大區域的光不能被主體完全阻擋。以前處於陰影中的大多數部分現在至少會受到一些照明。 陰天的陽光是如此的結果, 雲充當擴散器,將光線散佈到更寬的區域。

在實際攝影中,認識到直射、刺眼的照明與柔和、漫射的照明以及它們的所有階段之間的區別非常重要。陰影品質影響主體和場景的外觀極大。請記住,雖然有些數位後製程式確實可以提供您可以添加的一系列照明效果(但這些效果不一定與您想添加的一樣),但您不能通過更改相機設置或稍後的操作來改變照片中的內容。 


光線照射物體表面

當光線照射到物體表面(可能是建築物、風景或人臉)時,接下來發生的情況取決於材料的質地、色調和顏色以及光線本身的角度和顏色含量。 

不透明材料

如果材料對光完全不透明,例如,金屬或磚塊,則某些光會被反射和吸收(轉化為熱量)。材料越黑,反射光的比例越小。這就是為什麼在陽光下被遺忘的黑色相機保護套要比閃亮的銀色相機保護套更熱的原因。

如果材料被著色,則它會反射該顏色的波長並吸收存在的其他大多數波長的光。例如,藍色塗料反射藍色,並從白光中吸收紅色和綠色的光。但是,如果您的光線已經缺乏某些波長,則會改變被攝對象的外觀。在極端情況下,當藍色塗料被深紅色光照亮時,看起來會是深藍色且拍攝幾乎黑色的照片。您需要了解此類效果才能使用濾色鏡來進行顏色更改;如果您要掃描底片並進行數位印刷,則可以使用各種後製軟體來完成工作。

表面光潔度也極大地影響光的反射方式。諸如蛋殼、繪圖紙或表皮乾燥之類的無光澤表面會均勻地散射光線。光線從哪個角度入射幾乎沒有差異。但是,如果表面光滑且有光澤(例如玻璃或光澤漆),其作用類似於鏡子,將大部分光反射回一個方向,這稱為鏡面反射。

如果您的光線以直角入射到發亮的表面,則會沿其原始路徑向後反射。例如,當朝玻璃窗或塗有油漆的牆壁平放相機閃光燈時,會產生眩光。但是,如果光線成一定角度,它會以與到達的角度相同的角度從此類表面反射。因此,如果至關重要的是避免眩光斑,請在拍攝高反射表面時嘗試安排照明方向或相機視點以避免反射眩光。 如果您使用內置閃光燈,請調整相機視角。

透明或半透明的材料

當然,並非每種材料都不透光。例如透明玻璃、塑膠和水是透明的,並且可以直接透射光,而描圖紙、雲層和毛玻璃則可以散射它們透射的光被稱為半透明的。在兩種情況下,如果材料是有色的,與其他種類的材料相比,它將允許更多的這些波長的光通過。深紅色的彩色玻璃可透射紅色波長,但對於藍光可能幾乎不透明。

            由於半透明的材料會散射照明,因此即使在光源不直接排在後面的情況下,它們也可以在暴露於光線時看起來像乳白色,並且比透明的材料看起來均勻得多。幻燈片查看器和燈箱均遵循此原理。光的品質類似於從白色漫射表面反射的光的品質。

光的折射

當光從空氣斜向入射一種透明材料時,會發生有趣的事情。如前所述,光線穿過較密的介質時,其傳播速度略慢。例如,當光以一定角度從空氣進入玻璃時,光的波前(請記住水上的漣漪)變得不均勻地減速。這是因為一部分先到達較稠密的材料的光先偏向,就像將汽車以一定角度駛入沙子一樣。一條新的直線路徑形成,稍微向玻璃傾斜。當光從一種透明介質傾斜傳播到另一種透明介質時,光路的變化稱為折射(Refraction) 

將一隻筆插入清水時,您會看到折射起了作用。它看起來在水面上彎曲。厚實的窗戶玻璃會引起類似的變形。這是很重要的,因為通過使用折射,透鏡會彎曲光線,從而成像。請記住,折射只會使斜向入射的光線彎曲。以垂直照射兩種透明材料的邊界的光會稍微減慢速度,但不會改變方向。並且大多數以非常低的角度(非常傾斜)到達邊界的光會從表面全反射回去。

整個影像

我們的周圍所有事物都會對光的漫反射和鏡面反射,一些吸收,也經常是透射和折射的混合影響。例如,被陽光直射的蘋果從被照亮的一半強烈反射出彩色波長。其中大部分是漫反射的,但是其光滑果皮的一部分鏡面反射了明亮的高光,恰好是太陽與光滑表面的夾角與從此點到眼睛的角度。蘋果一側陰影的形狀和相對黑暗為您提供了有關形狀的更多線索。根據經驗,您的眼睛和大腦會識別所有這些微妙的淺色「信號」以表示堅固性和圓度,而無需實際觸摸蘋果就可以找到答案。這本質上就是「看見」。

攝影使我們能夠使影像永久且可移植,以便其他人可以體驗。底片或感測器無法準確地轉換我們用眼睛看到的光的方式,不同類型的底片以不同的方式記錄光和色彩。當您熟悉所使用的底片類型時,您將開始了解它對光影的反應。使用高規格數位相機,您可以更改色彩強度和控件類型。但是,相機仍然無法像您所看到的那樣精確地進行記錄,這是攝影魔術的一部分:它將我們看到的3D世界轉化為2D的影像。

光強度與距離

小型光源越靠近被攝對象,它將被照亮得越亮。將光線到物體的距離減半可使照明亮度提高四倍。這是因為光被集中到四分之一大小的區域中。例如,如果您使用小型閃光燈或攝影棚燈照亮人像,則將光源與人像的距離減半,人像給你的光線是原來的四倍。類似地,將光移開兩倍的距離會導致照明下降到原來亮度的四分之一。在特寫情況下,當您更改放大鏡的高度,類似的效果也適用於列印曝光。

實際上,這種「平方反比定律」(兩倍的光源距離=照明的四分之一)意味著在小型工作室中以不同距離照亮許多物體時,尤其是使用苛刻的緊湊型光源時,必須格外小心。一種曝光設置可能很難在離光源最近和最遠的地方都獲得良好的照明。一種解決方案是將光源移到更遠的地方,以使最接近的距離與最遠的距離之比變小,或更改為多個光源或漫射器,這將給您帶來更少的照明效果。  

在戶外直射陽光下不會出現相同的問題。太陽是如此之遙,以至於地球上的任何兩個地方(無論是海邊還是山峰)都與太陽的距離幾乎相等。風景攝影的亮度變化可能是由當地的大氣條件造成的,而不是由太陽的距離造成的。但是,如果您在室內拍照,則使用從小窗戶進入的陽光,窗戶本身就可以充當緊湊型光源。然後,強度會隨著距離的變化而變化,就好像您在相同位置使用相同大小的燈一樣。

成像

假設您設置並照亮了一個拍攝對象,並且僅將一張描圖紙(或屏幕)朝向拍攝對象。您當然不會在屏幕上看到任何影像。麻煩的是,被攝對象的每個部分都朝著紙表面的每個部分反射一些光。這種雜亂的光一般只是照亮了它。

一種限制混亂光線的方法是放置不透明鑽了一個小孔的紙張材料(例如一張卡片)在主題和屏幕之間。由於光線沿直線傳播,因此來自被攝體頂部的光線能夠穿過小孔只能到達屏幕的底部。從對拍攝對象下部發出的光僅到達屏幕的頂部。結果,您的屏幕在小孔的另一側顯示出暗淡、模糊的倒置拍攝對象的影像。

觀看「針孔」成像的最佳方法是在一個完全黑暗的房間裡,窗戶上的鋁箔或黑紙面向外面被陽光照射的場景。在鋁箔紙上鑽個小孔,並在鋁箔紙後面約300毫米處撐起描圖紙當屏幕以接收影像。實際上您是在相機內。來回移動屏幕以查看如何捕獲影像。如果您的相機配有可拆卸鏡頭,則可以使用針孔輕鬆拍攝彩色照片。因此,實際成像的工作不是特別複雜或技術性的。

針孔成像的限制

針孔形成的影像缺乏清晰度,並且往往具有柔軟、朦朧的感覺。無論將屏幕放在何處,任何影像細節都不會非常清晰。這是因為通過針孔從拍攝對象的任何部位反射的狹窄光「束」會形成發散(逐漸變寬)的光束。拍攝對像中任何一個亮點或細節點所能獲得的最清晰的表示是碟狀斑塊。細節變成了許多重疊的斑塊,使影像具有模糊的外觀;針孔攝影師使用這種品質來創建自己獨特的影像風格。

您還會注意到,針孔形成的影像非常暗。您可以通過擴大孔來使其變亮,但是這會使影像細節更加不清晰。即使您接受較暗的影像,並嘗試通過使用更小的孔來銳化細節,這些碟狀斑塊顯然也不會比針孔本身小。您很快就可以知道由於光學效應(稱為繞射),實際上會使成像結果變差。比起通過乾淨的針孔的中心的光線,通過越小越粗糙的針孔的光線移動就越大所佔通過光束的的百分比就越小,

改用鏡頭

形成更明亮,更清晰的影像的最佳方法是使針孔變大(允許更多的光通過),然後彎曲變寬的光束,使其變窄(會聚)而不是繼續擴大。這可以通過使用一塊透明玻璃的折射來完成。右圖顯示光線如何從空氣斜向入射到玻璃,並在入射點彎曲成稍微垂直於表面。當光從玻璃傳播到空氣中時,情況恰恰相反,因為空氣密度較小。因此,如果您使用一塊側面不平行的玻璃塊(稜鏡),則光線通過的總效果就是方向的整體變化。

在實踐中,一塊成形的玻璃,其中心比其邊緣厚,可以接受相當寬的發散光束並將其轉換為會聚光束。通過研磨和拋光玻璃圓盤,使它成為這種形狀,就可以有效地製造出無限量的稜鏡,所有的光線都朝著一個共同點彎曲。這是一個簡單的會聚透鏡。如果您有這樣的鏡片(最適合使用放大鏡),就可以嘗試一下。

當您使用鏡頭而不是僅使用一個針孔來製作影像時,屏幕上形成的上下顛倒的影像看起來要明亮得多,但是只有當屏幕與鏡頭相距「最佳」距離時,細節才能清晰地分辨出來。如果將屏幕放置得太近或太遠,光線都會迅速變寬,並且細節點會變成甚至比針孔所提供的光斑還大。結果是非常不清楚的「失焦」效果。因此鏡頭必須精確對焦;正確的影像位置取決於鏡頭的彎曲能力以及鏡頭與被攝物體之間的距離(見下圖)。嘗試過放大鏡後,如果可拆卸,請將其與相機鏡頭進行比較。

2021年1月6日 星期三

第一章 什麼是攝影(四)

 

 科學研究攝影。這是我三十多年前在耶魯大學以底片相機和B快門曝光拍攝(數位翻拍)在低功率(左邊)和高功率(右邊)10奈秒(nsec)綠光脈衝雷射同步照射單顆自由落體微米(約30微米)水滴產生爆炸的顯微照片。在拍攝這兩張照片時,雷射脈衝對水滴的作用除了讓水滴產生非線性光學現象之外,還充當閃光燈凝結掉落的液滴的移動,我在相機前放了一片紅色濾光鏡。放置紅色濾光鏡是為了消除超強的綠色雷射光,如果放置藍色濾光鏡就會呈現藍色的影像。







構圖

無論您的主題是什麼,選定拍攝位置(視點)有關著如何最強、最有效的方式顯示拍攝主題。 通常,這意味著要避免在影像中出現各種雜亂和混淆的元素(除非這種混亂會助長您想要營造的氣氛)。視覺上構圖的方式與技術品質一樣重要。但是,這種構圖技能是通過學習獲得的。它涉及到影像中線條、形狀和色調的使用,從而使它們令人滿意、有效地關聯在一起。 構圖是攝影、繪畫和一般美術的共同點。主要區別在於當主題在您面前時,您必須正確使用其中的大部分內容,並充分利用當時的內容。儘管暗房技術和計算機確實允許您使用其他構圖技巧,但相機的工作速度很快。通常,良好的構圖只是通過取景器仔細查看。您看過多少張人腳被截斷或花盆從某人的腦袋伸出的照片?

我們都聽說過「規則要用來被打破的」,構圖規則鼓勵我們去跟著如此做,但除此之外別無他用。在拍攝之前需要諮詢構圖規則就像在散步之前先閱讀牛頓的萬有引力定律一樣,沒有必要。當然,如果您已經有豐富的拍攝照片的經驗,那麼說起來很容易,但是如果您才剛剛開始,下功夫練習構圖的影像與不構圖的影像之間進行比較,並與攝影師和非攝影師的其他人討論看看。

在拍攝對象許可的情況下,最好拍攝幾張照片,可能先拍攝明顯的照片,然後再拍攝其他不改變物品放置方式的照片,以逐步簡化和增強影像的表現。拍攝照片時,您需要習慣於更多地移動身體。人們常常會固定地站在拍攝物件的前面,然後從視線水平拍攝。蹲下來看看,移到一邊,爬到樹上!您會驚訝於小小的動作可以顯著地改變構圖。在這裡,比起相機,您的眼睛更重要。構圖可以極大地提高影像的風格和獨創性。一些攝影師,例如,加里·溫諾格蘭德(Garry Winogrand)選擇了另類的構圖,增加了圖片內容的怪異度(他喜歡歪斜相機來構圖增強場景的張力)。

攝影中的構圖幾乎與音樂或文字中的建構一樣可以增強主題。良好的構圖將幫助觀賞者按照您的意圖「閱讀」照片,並成功地傳達您的想法。即使您只是在哪裡設置相機按下快門,您拍攝的每張照片都會涉及一些構圖決策,只是您當時已處於「無意識能力的狀態」。

個人風格和方法

您的攝影風格會因您自己的興趣和態度以及機會發展而來。例如,您是否最感興趣於人或可以處理事物而無需關心人際關係?您喜歡分一些時間來拍攝運動照片,還是喜歡可能需要速度更慢、更省心的方法拍攝風景或靜物?

如果您打算成為一名專業攝影師,您可能會把自己看作一名通才,可以處理您當地的大多數攝影需求。或者,您可能會在一些更專業的領域工作,例如自然歷史、警察鑑識取證、科學研究或醫學攝影,並將攝影與其他技能和知識相結合。這些應用很少需要提供個人解釋的範圍,尤其是當您必須清晰準確地提供信息滿足某些需求時。為自己拍攝的照片有最大的自由度,在這裡,您可以最好地發展自己的視覺風格,只要您能夠激勵和驅動自己,而無需承擔大多數專業任務中存在的壓力和明確目標。然而,通過建立自己獨特的照片作品,目標是從長遠來看將變得更加成功,因為您能夠為客戶提供新的有趣的想法,而不是重新開發市場上已有的東西。

風格很難定義,但是當您看到它時就可以識別。圖片是具有主題的一些特徵組合:情緒(幽默,戲劇,浪漫史等)、處理(事實或抽象)、色調或顏色的使用、構圖、甚至是圖片比例。從選擇鏡頭到列印表現的形式,技術也很​​重要。但最重要的是風格與特定的觀賞方式有關。

無論是作為商業攝影師還是美術攝影師,在任何專業任務中都絕不建議在內容上追求風格。許多攝影師發現自己被定義為「某某某類」攝影師,當被另一位客戶要求使他們不得不重複拍攝最著名的作品時,他們就失去了最初想要的享受。

內容和意義

通過查看其他人的作品可以增進您的攝影方法,但不是絕對的,而是需要經過長時間的細化,支持您認為重要並想向他人展示的作品。您的攝影方法一定不能成為公式,這會使您拍攝的所有東西看起來都一樣。秘訣是耐心地處理好每個主題的本質,而不需重複自己。人們應該能夠識別您的照片中的觸動,可以通過您表現照片的方式來發現每個特定主題或獨特的事物。

有時,個人作品的內容基於半抽象的影像,其中的顏色、線條和色調等元素比主題的實際意義更為重要。含意讓位給設計,儘管即使是最簡單的形狀和紋理也可以表達影像的含義,攝影師選擇基本圖形內容為拍攝對象,他或她可以將其塑造成有趣的構圖。

確保成功

沒有制式的公式可以判斷照片是否成功。我們所有人都有以下危險:在我們的作品中「希望看到」我們發現的東西已融入照片中,回憶起拍攝時克服的困難而不是評估結果。也許最容易判斷的是技術品質,儘管即使在這裡的「好」或「壞」可能取決於最適合您的影像的心情和氛圍的東西。

大多數商業照片屬於廣告行業,因此可以判斷它們是否達到目的。例如,海報或雜誌的封面影像必須醒目並迅速傳達信息。許多這樣的照片雖然很聰明,但是很膚淺,很快就會被遺忘了。對於其他類型的攝影,還有很多要說的是歧義和陌生挑戰您,讓您不斷發現新事物。這並不意味著您必須喜歡所有的另類和晦澀的事物,而是讓您能夠開發出進行批判分析的能力。

對照片的反應也會隨著時間而改變。與您的照片一起生活一會兒(有一個固定的牆面顯示在家裡),您會一直認為自己的最新作品總是最好的。同樣地,不要屈服於當今的流行趨勢。最好發展自己的見解和技能,直到您的作品被注意到作品自己的面貌為止。請記住,儘管人們說他們想看到新的想法和方法,但他們仍然傾向於根據昨天接受的標準來進行判斷。

練習:

1、使用網路瀏覽器用下列知名人像攝影師的名字和「圖片」搜尋並記下您認為他們的照片的拍攝方法、功能和風格的不同,然後將「圖片」改成「全部」再搜尋維基百科內閱覽他們的經歷和評論:Cecil Beaton, Diane Arbus, Yousuf Karsh, Dorothea Lange, Elliott Erwitt, Julia Margaret Cameron, August Sander, Martin Parr, Cindy Sherman, Nan Goldin, Bettina von Zwehl 和人稱「台灣攝影三劍客」的李鳴鵰、張才與鄧南光等。

2、比較下列知名景觀攝影師的攝影內容和風格:Ansel Adams, Franco Fontana, Bill Brandt, Alexander Keighley, Joel Meyerowitz, Fay Godwin, John Blakemore, John Davies, Dan Holdsworth, Hiroshi SugimotoJoel Sternfeld等。