揭开照片"暗角"的内幕

-为什么我的照片四角那么黑?-你装错遮光罩了吧?

这篇文章会介绍四种基本的暗角。你们一定想知道什么是暗角,晕影又是怎么回事?还有大神所说的“渐晕”又是什么?如果我来说的话,其实都是vignetting嘛。等等,vignetting又是什么?你一定要说,这又是作者在装逼了,拿英文唬人。

就是暗角啦!

不过从光学上讲,“渐晕”形容照片四角变暗的现象不是特别恰当。所以下面的文章里统称叫“暗角”。不开玩笑了,下面开始介绍。

暗角概况

尽管大多数情况下,大家看见暗角,或是彩色的晕影时认为他们都差不多。不过,这种认识是错误的。这都是不同的光学现象。Sidney F. Ray在他的书“Applied photographic optics”(《应用摄影光学》)中总结了四种基本暗角类型(对应全部直译)如下:

  • ◎Mechanical vignetting   机械暗角
  • ◎Optical vignetting           光学暗角
  • ◎Natural vignetting          自然暗角
  • ◎Pixel vignetting               像素暗角(针对数字照相机)

 

下面分别来详细说明。

 

Mechanical vignetting 机械暗角

这种暗角形成原因极其简单。当从被摄体射出的离轴光束被镜头之外的无关物体阻挡时,就会产生的图像边缘变黑的现象。说白了,就是引文那种情况。装错了遮光罩,或是用了不合适的滤镜系统都会造成这种暗角。大家完全可以通过避免使用不正确的附件来杜绝这种现象的发生。根据镜头口径的大小,照片边角的变暗可以是突然的或是渐进的。

机械暗角大多数情况下是真正的黑角,后期不可修复。

 

Optical vignetting 光学暗角

这种暗角是由镜头中透镜、光圈和镜筒的实际尺寸造成的,由于互相的遮挡,导致前端透镜离轴的有效入射光减少(就是边角入射进来的偏转角度较大的光线),结果是像的照度自像中心开始向周围逐渐减弱(中间亮外圈暗,因为外圈光少了)。讲解示意图如下:

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如图所示,不同角度下相同的入射光的有效通光量是不同的,显然边缘的要小很多。

光学暗角对孔径光阑(其实就是光圈)很敏感,可以预见的是,假若减小孔径光阑的大小;或是相对的,扩大镜头尺寸;就可以一定程度上解决这个问题。但是无限制扩大镜头尺寸对其他像差的处理有很大不利影响,所以镜头设计师会根据情况适当处理这个问题。我们使用器材时可以选择适当缩小光圈来在一定程度上减轻光学暗角的发生。

光学暗角的过渡是相当平缓的,不会有完全的黑暗处出现。

 

Natural vignetting 自然暗角

这种暗角的发生与光学系统的遮挡无关,像的亮度与原始光线亮度的比率一般与下图的曲线相吻合:

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这个曲线是有规律可循的。描述这一现象的定理叫做:“余弦四次方定理”(Cosine Law)

内容如下:

与镜头光轴平行的入射光,聚集在画面中心部分成像,假设它的照度(就是这里有多亮)为 {I_0},另有与光轴不平行的离轴光线,与光轴成任意角θ入射,设这时的像面照度为 {I_\theta},则有下列关系: 

{I_\theta } = {I_0}{(cos\theta )^4}

即离轴光线成像的亮度与这束光线和光轴的夹角的余弦四次方成正比。

因此与画面中心部分相比,越向边缘,影像越暗。特别是用广角镜头或大口径镜头时,受边缘离轴光线损失的影响更大。这个暗角的表现比较明显,过渡与光学暗角相比稍硬,但也比较平滑,影响面较光学暗角小很多。

通常远摄镜头的设计和逆望远镜头的设计可以减轻这种暗角。因为这种设计可以有效控制离轴光线“数量”。

显而易见的是,这种暗角只能用后期手段处理。

 

Pixel vignetting 像素暗角

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首先要明确的是,像素暗角只会影响现在的数字相机。当然,胶片也没像素这一说。产生像素暗角主要是因为CMOS感应器的像素深度导致光子射入数量不太充足(如果你不了解什么是光子,你可以阅读此前文章)。就像正午时分光线照入井底的比较多一样,垂直入射的光的光子比斜射的光的光子有更多的机会到达像素井的底部,被光电二极管所捕获。由于拜耳滤镜的使用和一些相机的设计和软件缺陷,他们可能因此产生不正常色彩的晕影。采用设计得当的微透镜可以在最大限度内降低像素暗角的影响。

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受到镜头结构和法兰距离的限制,有时微单使用转接的旁轴镜头时会发生严重的像素暗角,如图就是当年闹得沸沸扬扬的“A7红移门”中转接了Leica M系列镜头时产生像素暗角的现象。该暗角同时伴随照度和色度的不正常变化。

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