十五.镜头知识之景深(Depth of Field)

15.1 概述

先看两个例子，拍摄花、昆虫等照片时，背景拍的比较模糊，突出被拍物。
但当拍摄纪念照、风景等照片时，却会把背景拍摄得和被拍对象一样清晰。
这两者就是不同景深。前者为浅景深，拍摄聚焦到被拍物上，只能拍清一小段距离，被拍物前后的景色都被虚化，清晰范围较小。而后者为大景深，清晰范围较大。

15.2 景深(depth of field)定义

摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。通俗讲即被拍摄物体对焦点（focus point）平面处的景物，在胶片上会形成清晰影像，在对焦点平面的前方某处到其后方某处有一个范围，其内的景物都能形成清晰影像，这一范围称为景深，讨论景深，一般我们用“深浅”形容，即浅景深（narrow depth of field）或大景深(large depth of field)。

当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都是相当清晰的。成像相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。

说得通俗一点，景深就是照片上图像前后的清晰范围。

我们知道，在精确调焦的主体前后，还会有一段相对比较清晰的范围。比如拍摄时向某人物对焦，那么该人物必然处于清晰点上，而此时在他前后的一丛矮树和一间房子也相对比较清晰，因此，我们可以说矮树与房子都处于清晰范围之内，也就是在景深范围之内。景深，也就是景物清晰的深度。这里我们所说的相对比较清晰，是因为前后景物的清晰程度毕竟不如对焦点上的那个物体，但是可以为人们的视觉所接受。
　　习惯上，这个清晰的范围大，就被人称为“大景深”或“深景深”，相反则称为“浅景深”或“小景深”。

15.3 景深原理

景深也是一个与镜头和成像系统关系十分密切的参数，它是指在镜头前沿着光轴所测定的能够清晰成像的范围，如下图所示：

15.3.1 弥散圆(circle of confusion)

在成像系统的焦点前后，物点光线呈锥状开始聚集和扩散，点的影像沿光轴在焦点前后逐渐变得模糊，形成一个扩大的圆，这个圆称为弥散圆(circle of confusion)。
若这个圆形影像的直径足够小（离焦点较近)，成像会足够清晰，如果圆形再大些（远离焦点)，成像就会显得模糊。
当在某个临界位置所成的像不能被辨认时，则该圆就被称为容许弥散圆(permissible circle of confusion)。
焦点前后两个容许弥散圆之间的距离称为焦深。在目标物一侧，焦深对应的范围就是景深。

不难看出，判断虚实的标准取决于“容许弥散圆”的直径，而这个数值受到视力、观看距离、放大因素等影响。在过去很长时间里，我们将“容许弥散圆”取为“感光元件对角线÷1500”。
需要注意的是，在数码时代，容许弥散圆实际上还受到像素密度、显示器分辨率、观看方式的影响。例如在显示器上100%看图时，高像素就比低像素的容许弥散圆更小、景深更浅 —— 富士相机会在菜单内提供“底片格式像素”、“像素”两种景深尺，后者就对应了这种情况。

e为容许弥散圆的直径。

f为镜头焦距。

D为对焦距离。

F为镜头的拍摄光圈(aperture)值。光圈值F常用镜头焦距和镜头入瞳的有效直径Din的比值来表示，它是镜头相对孔径Dr的倒数，即：

从景深公式可以看出，后景深要大于前景深，而且景深一般随着镜头的焦距、光圈值、对焦距离（可近似于拍摄距离)的变化而变化。
在其他条件不变时：
光圈越大（光圈值F越小)，景深越小；光圈越小(光圈值F越大），景深越大。
镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。
距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
在检测目标的高度在一定范围内可能变化的情况下，选择合适的景深，对于机器视觉系统的稳定性尤为重要。

15.4 景深总结

在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。