UU談攝影系列(3)——攝影的原理與相機的構造

1、UU談攝影系列（3）攝影的原理與相機的構造(2010-12-06 15:59:23) 轉載一、人眼成像的原理攝影又稱攝影術，就是人們通使用照相機把反射在景物上的光線，通過鏡頭在感光材料上感光而形成影像的過程。所以有些國家把照相機稱為“照光機”，這是比較準確的，也就是說，攝影的過程并不是把景物攝錄下來，而是把景物反射出的光線記錄在感光材料上，形成的影像本不是景物的影像，而是光線在感光材料上形成了潛影。照相機最早是誰發(fā)明的已無從查考，但第一個在底片的銀鹽上成像的是法國人達蓋爾，就是今天的數(shù)碼成像也是在達蓋爾的銀鹽成像的基礎上發(fā)展起來的，成像的原理一直不變。歸根結底，照相機是對人眼的仿生，照相機成像

2、的原理與人眼看到景物在視網膜上成像的原理也是一樣的當然人眼比世界上最先進的照相機都更為先進，結構也更為復雜。下圖就是人眼接受外界光線而成像的結構圖。（這可是UU比照著生物老師的教科書畫的，差點累死）圖（1）簡約眼視網膜像的形成圖從上圖我們可以看出，人眼中的晶狀體就如同一個凸透鏡，物體AB經過晶體透過節(jié)點后，會在視網膜上形成像ab，當然進入眼中的光線還必須通過瞳孔而到達后主焦點，而瞳孔則會根據(jù)光線的強弱自動調節(jié)其開孔大小。眼睛之所以能看見周圍的各種物體，一是必須有光，二是眼球內可以成像的構造。當我們睜開眼睛，從周圍物體發(fā)射或反射而來的光，穿過瞳孔和晶狀體，聚集在眼睛后面的視網膜上，形成這些物體的

3、圖像。連接視網膜的視神經立即把這些信息傳送到大腦，所以我們就能看到這些物體。人以左右眼看同樣的對象，兩眼所見角度不同，在視網膜上形成的像并不完全相同，這兩個像經過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠近，從而產生立體視覺。當然就這一點而言，照相機只相當于人的一只眼，不可能產生立體的感覺了。二、照相機的工作原理明白了以上的道理，我們就很容易理解照相機的成像原理了。下圖是簡易照相機的成像光路圖。圖（2） 照相機成像原理圖被攝物發(fā)出或反射的光線，被照相機鏡頭匯聚，由攝影者調整鏡頭，在膠片平面處產生清晰的影像，當按下快門使膠片曝光時，就會把這個影像記錄下來，通過沖洗就可以印制成照片。觀察以上圖片，我們就會

4、發(fā)現(xiàn)，照相機成像的原理與人眼成像的原理是一樣的，不過人像成像只是一個會自動調節(jié)的晶狀體，而照相機的關鍵部件則是一組鏡頭組。雖然是很復雜的鏡頭組，但起主要作用的還是凸透鏡，在示意圖中我們只是以一片凸透鏡來代替。在傳統(tǒng)的照相機中，成像的關鍵其實就是感光片膠片。膠片的發(fā)明是人類照相史上一個空前的壯舉。人們在生活實踐中，發(fā)現(xiàn)有些物質具有感光性，這樣的東西比比皆是，比如說在蘋果尚未成熟的時候，我們用紙剪成一個“喜”字粘貼到蘋果受光的表面，到蘋果紅透后把紙再揭去，那么紅色的蘋果上就會留下黃而微綠的“喜”字，當然這就是最為簡單的“曝光”了。攝影用的膠片大致類此，不過比這個更為快捷與精密。傳統(tǒng)的膠片是在片基上

5、均勻地涂布一層含有鹵化銀（主要是溴化銀，還含有少量的碘化銀與氯化銀）的涂層，作為感光材料，因為人們發(fā)現(xiàn)鹵化銀經過光照后會形成潛影，如果我們人為地控制照射到膠片平面上的光量，就會記錄下景物的影像，后期再經過一系列的化學處理，就會還原現(xiàn)實影像。彩色膠片相比較要復雜一些，片基上至少要涂布三層感光乳劑，分別為感紅層，感綠層與感藍層，以此來記錄不同的光波。這里面就有一個關鍵問題存在了，那就是如何來控制達到膠片上的通光量，所以現(xiàn)代的照相機上就會加進了光圈與快門。那么如何來理解這光圈與快門呢？人的眼睛有一種特性，在強光下瞳孔會收縮，在弱光下瞳孔會放大，我們從強光下進入弱光環(huán)境時，會有一個適應的過程，剛剛進入

6、到弱光環(huán)境時，會看不見東西，但過一會兒就能看清了，其實這是人眼的瞳孔調節(jié)使然。照相機的光圈就如同這瞳孔，總得有一個控制通光多少的裝置來控制進光量的多少。那么快門又是什么東西呢？快門其實就是打開光路與阻止光路的閘門。打一個通俗的比喻：給你一片菜園，再給你一個抽水機，讓你在一定時間內把這個菜園的菜澆灌好。標準是菜地里不許存在任何一片干土，當然也不許有多余的水，這個程度也就如同感光片接受的感光量恰好。把菜園澆灌好的條件有兩個，一個是抽水機抽水管的孔徑，一個是時間?？讖骄褪枪馊?，時間就是快門速度。但是我們要問，如果這兩者處理不好會出現(xiàn)什么情況？對于澆灌菜園來說，或是水沒有澆足，菜園依然是“旱”，或是澆

7、水過多，已經“澇”了，而這兩種情況其實都是不利于蔬菜生長的。對于攝影而言，那就是曝光不足與曝光過度。如果曝光不足，應該記錄下來的影像沒有來得及記錄，照片擴印出來后就是暗部細節(jié)丟失，黑的地方沒有層次感，成了一團死黑；如果曝光過度又是如何？當然就是景物的高光部分的細節(jié)丟失，白的地方成了一片死白。所以，照相機的關鍵操作當然就是光圈與快門的控制了。三、現(xiàn)代照相機的結構圖（3）現(xiàn)代照相機結構圖科技發(fā)展的日新月異，使如今生產出的照相機花樣百出、種類繁多、結構復雜、機械精密，新產品層出不窮。但無論各種照相機如何變化，結構如何紛繁，它們的基本構造是一致的。1. 具備將目標體結成光學影像的成像系統(tǒng)，即鏡頭； 2

8、. 具備由鏡頭至感光材料之間的曝光通道，即暗箱； 3. 具備一個能將各部件承裝起來的載體，即機身； 4. 具備一個能盛裝感光材料的裝置，即后背。 所以，一切照相機的基本結構均為這四個部分鏡頭、暗箱、機身與后背。關于這個四個部分，詳述如下：（1）鏡頭部分用光學玻璃制成的鏡頭，把進入鏡頭的光線匯聚起來，在感光材料上形成一個清晰的影像。由兩片或更多片的光學玻璃組成的透鏡，叫做透鏡單元。透鏡單元組成一個整體，這就是攝影鏡頭。鏡頭根據(jù)功用不同，可以分為廣角鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭及微距鏡頭等。一般來說，鏡頭的視角與人眼的視角相仿的被人們習慣上稱為標準鏡頭，簡稱“標頭”，比如在135膠片相機上，50mm的

9、鏡頭最為接近人眼的視角，故50mm頭常常被人們冠之以“標頭”的稱號。同理，如果比人眼的視角更廣的鏡頭就被稱為廣角鏡頭了，比如35mm廣角，24mm廣角，乃至18mm超廣角。比人眼的視角更小的鏡頭稱為長焦鏡頭，比如85mm人像鏡頭，105mm微距，135mm長焦，180mm長焦，400mm長焦等。但是數(shù)碼相機的感光元件的尺寸遠遠小于135膠片的尺寸，現(xiàn)在的數(shù)碼單反相機如果使用傳統(tǒng)135膠片相機的鏡頭的話，常常要1.5，比如過去的50mm鏡頭，現(xiàn)在變成了75mm的鏡頭了，相反，過去的小廣角35mm的鏡頭接裝在數(shù)碼單反機上后反而最為接近人眼的視角，因此在數(shù)碼相機上，35mm的鏡頭應該算作“標頭”。當

10、然隨著現(xiàn)代光學的發(fā)展，定焦鏡頭已不能滿足人們日常生活的需要，于是各相機廠家紛紛研制開發(fā)變焦鏡頭，變焦鏡頭就是鏡頭的焦距是可變的那種，比如18-35被人稱為廣角變焦，35-70或28-70被人稱為標準變焦，70-210被人稱為望遠變焦頭等等。小DC上也常常配備一只適用性較強的變焦頭，一般為28-105或35-105的變焦范圍，多數(shù)為3倍或4倍變焦，當然也有的數(shù)碼相機配備了長達10倍變焦的大變焦頭，比如索尼F-828相機的變焦就達到了10倍。但是一般的情況是，變焦比越大的鏡頭成像的質量往往越難以保證，所以選購相機時沒有必要追求大的變焦比，34倍的變焦已經足夠。（2）暗箱部分照相機的暗箱部分也就是單

11、鏡頭反光式相機的聯(lián)結部分，能保證通過鏡頭的光線準確地到達感光材料上，所以這個部分要求是嚴密不透光的，在單反相機內部，卸下鏡頭，我們可以看到一個長方形的鏡片，這就是反光板，要相機內呈45度角放置，其功用是把通過鏡頭入射進來的光線反射到機頂?shù)奈謇忡R中，供攝影者通過取景窗來取景、對焦、構圖。當快門按下時，反光板上翻，光路阻斷，快門簾打開，光線在感光元件上感光，這就是拍照的全過程，所以單反相機在拍照的瞬間，眼前變黑，什么也看不到了，是反光板上翻而截斷了光路使然。但在平視取景與現(xiàn)代家用的小DC中，由于鏡頭與機身是連接在一起的，不可拆卸，因此暗箱部分我們看不到，也因為這個部分并不需要攝影者進行任何操作，所

12、以在此不詳述。（3）機身部分這是一部相機中很重要的部分，可以說除了鏡頭外，攝影者的一切操作都在此部分中完成，又因為這個部分是承載相機各部件的載體，所以結實是第一重要的。無論相機的機身怎么變化，常規(guī)在機身的右上角就是快門按鈕，考慮到人群主要是右手操作的習慣，所以其按鈕設計在此處應該是最容易控制的。現(xiàn)代相機的快門下方常常是一個液晶數(shù)據(jù)顯示屏，上面顯示一些拍照時常用的如光圈值、快門速度、白平衡等參數(shù)，以利于拍照，在機頂?shù)淖笥覀瘸３＿€要設計變焦控制鈕，數(shù)據(jù)控制鈕和電源開關等，因為相機的型號不同，設計也沒有統(tǒng)一的標準。消費級相機的機身常常使用工程塑料，現(xiàn)代的工業(yè)材料已經很成熟，這種工程塑料在延展性、堅固

13、性方面都已經相當成熟，如果不是強大的外力，一般情況下還是很耐用的。但高級一些的相機則采用金屬來制造，雖然金屬相機相對重量增加了，但因為金屬的耐用性，抗惡劣環(huán)境的性能都很優(yōu)異，所以專業(yè)級相機在嚴寒酷暑也能正常工作，這一點是消費級的相機所不能比的。（4）后背部分傳統(tǒng)相機的后背是可以打開的，拉開相機的后背的鎖定裝置，就可以打開后背，安裝膠片，高級一些的相機還提供數(shù)碼后背讓用戶來選擇，但就一般的功用來說，后背也就是用來安裝膠片的。而數(shù)碼相機的后背則是不可打開的，因為數(shù)碼相機內的感光元件CCD或CMOS并不需要我們去更換，所以是固定設計的。但這個后背上卻安裝了一塊LCD顯示屏，用來構圖取景、顯示拍攝參數(shù)

14、或回放觀賞。在后背上數(shù)碼相機也會設計很多按鍵，比如刪除鍵，回放鍵，菜單鍵等，不一而足。一般來說，選擇數(shù)碼相機的時候不要太過于關注LCD顯示屏的大小，那東西只是給我們拍照時提供參考的，其實它也只是所拍照片的模擬顯示，屏幕越大越亮，顯示的分辨率越高其實也越耗電，并且那上面顯示出來的圖像與我們把相片下載到電腦中去查看完全是兩回事兒，很多人以為那上面顯示的效果好，拍出的圖像效果就一定好，這完全是錯誤的認識。最后需要說明的是，如果想在拍攝中得心應手，手動功能越多的DC越好用，事實證明，全自動而手工無法操作的相機在實際使用中和手機的攝像頭差不多，只是像素高點罷了。知識拓展現(xiàn)代照相術的起源最早可追溯到墨子（

15、公元前468376年）在墨經一書中提到的小孔成象原理，以及元代趙友欽的針孔成象匣。在歐洲，16世紀著名畫家達芬奇便發(fā)現(xiàn)：在一個房間的窗板上戳上一個小孔，然后關上所有的門窗，使房間變得一片黑暗，這時便可看到窗外的景色透過小孔，清晰地倒映在室內的墻壁上。這就是物理學上的“小孔成象”原理。后來其他畫家把白紙掛在墻壁上，照著倒映著的線條復描，當畫家移動掛在墻壁上的白紙與小孔的距離，便可將倒映在白紙上的圖象放大或縮小，解決了當時復描圖畫技術上的一大難題。17世紀末到18世紀初，隨著玻璃工業(yè)的發(fā)展，人們制成了平板玻璃、玻璃透鏡。有人利用暗室小孔成象的原理制成一個暗箱，箱上裝了一塊凸透鏡以代替小孔，箱子的另

16、一頭裝了一塊磨毛了的平板玻璃。凸透鏡把投射進來的光線聚焦，人們用畫筆在那平板玻璃上描畫下各種大自然的景色。這暗箱，就是最原始的照相機。光學家為改善象質，在透鏡上不斷地做文章，就形成了一系列照相鏡頭，這就是現(xiàn)代人所稱的照相物鏡。機械設計師不斷完善和改造那個笨重的木頭暗箱，這就是現(xiàn)代攝影者所稱的照相機機身。但是用畫筆來摘下倒映在玻璃上的景色，畢竟太麻煩了，這就需要發(fā)明一種能夠感光的“照相紙”。1813年法國的涅普斯發(fā)現(xiàn)了一種地瀝青受曬后會變色，具有一定的感光性能，便使用它作為感光劑。具體方法是：把地瀝青溶于薄荷油中制成溶液，然后涂在金屬板面上；曝光后浸在煤油中，使薄荷油溶于煤油，于是在金屬板上便顯出影象來了。不過得到的影象仍然是十分模糊的。后來，法國畫家達蓋爾與漢普斯共同進行研究。直到1839年在達蓋爾解決了顯影、定影等技術難關后，世界上才公認從那時起發(fā)明了照相術。那時的“膠片”便是碘化銀感光板，感光性能實在太差了，加之照相機用的多是用一二塊透鏡組成的長焦距鏡頭。造成進入