摄影的原理与相机构造的内容知识介绍

2007年10月09日 星期二 15:41 1.人眼成像的原理 摄影又称摄影术，就是人们通过照相机把反射在景物上的光线通过镜头而在感光材料上感光而形成影像的过程。所以有些国家把照相机称为“照光机”，这是比较准确的，也就是说，摄影的过程并不是把景物摄录下来，而是把景物反射出的光线记录在感光材料上，形成的影像本不是景物的影像，而是光线在感光材料上形成了潜影。 照相机最早是谁发明的已无从查考，但第一个在底片的银盐上成像的是法国人达盖尔，就是今天的数码成像也是在达盖尔的银盐成像的基础上发展起来的，成像的原理一直不变。 归根结底，照相机是对人眼的仿生，照相机成像的原理与人眼看到景物在视网膜上成像的原理也是一样的——当然人眼比世界上最为先进的照相机也更为先进，结构也更为复杂。下面就是人眼接受外界光线而成像的结构图（这可是UU比照着生物老师的教科书画的，差点累死）。 图1-1 简约眼视网膜像的形成 从上图我们可以看出，人眼中的晶状体就如同一个凸透镜，物体AB经过晶体透过节点后，会在视网膜上形成像ab，当然进入眼中的光线还必须通过瞳孔而到达后主焦点，而瞳孔则会根据光线的强弱自动调节其开孔大校 眼睛之所以能看见周围的各种物体，一是必须有光，二是眼球内可以成像的构造。当我们睁开眼睛，从周围物体发射或反射而来的光，穿过瞳孔和晶状体，聚集在眼睛后面的视网膜上，形成这些物体的图像。连接视网膜的视神经立即把这些信息传送到大脑，所以我们就能看到这些物体。人以左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。当然就这一点而言，照相机只相当于人的一只眼，不可能产生立体的感觉了。 2.照相机的工作原理 明白了以上的道理，我们就很容易理解照相机的成像原理了。下面是简易照相机的成像光路图。 图1-2 照相机成像原理图 被摄影物发出的光线，被照相机镜头汇聚，由摄影者调整镜头，在胶片平面处产生清晰的影像，当按下快门使胶片曝光时，就会把这个影像记录下来，通过冲洗就可以印制成照片。 观察以上图片，我们就会发现，照相机成像的原理与人眼成像的原理是一样的，不过人像成像只是一个会自动调节的晶状体，而照相机的关键部件则是一组镜头组。虽然是很复杂的镜头组，但起主要作用的还是凸透镜，在示意图中我们只是以一片凸透镜来代替。 在传统的照相机中，成像的关键其实就是感光片——胶片。胶片的发明是人类照相史上的一个空前的壮举。人们在生活实践中，发现有些物质具有感光性，这样的东西比比皆是，比如说在苹果尚未成熟的时候，我们用纸剪成一个“喜”字粘贴到苹果受光的表面，到苹果红透后把纸再揭去，那么红色的苹果上就会留下黄而微绿的“喜”字，当然这就是最为简单的“曝光”了。摄影用的胶片大致类此，不过比这个更为快捷与精密。传统的胶片是在片基上均匀地涂布一层含有卤化银（主要是溴化银，还含有少量的碘化银与氯化银），作为感光材料，因为人们发现卤化银经过光照后会形成潜影，如果我们人为地控制照射到胶片平面上的光量，就会记录下景物的影像，后期再经过一系列的化学处理，就会还原现实影像。彩色胶片相比较要复杂一些，片基上至少要涂布三层感光乳剂，分虽为感红层，感绿层与感蓝层，分别来记录不同的光波。 这里面就有一个关键存在了，那就是如果来控制达到胶片上的通光量，所以现代的照相机上就会加进了光圈与快门。 那么如何来理解这光圈与快门呢？人的眼睛有一种特性，在强光下瞳孔会收缩，在弱光下瞳孔会放大，我们从强光下进入弱光环境时，会有一个适应的过程，刚刚进入到弱光环境时，会看不见东西，但过一会儿就能看清了，其实这是人眼的瞳孔调节使然。照相机的光圈就如同这瞳孔，总得有一个控制通光多少的装置来控制进光量的多少。那么快门又是什么东西呢？快门其实就是打开光路与阻止光路的闸门。打一个通俗的比喻：给你一片菜园，再给你一个抽水机，让你在一定时间内把这个菜园的菜浇灌好。标准是菜地里不许存在任何一片干土，当然也不许有多余的水，这个程度也就如同感光片接受的感光量恰好。把菜园浇灌好的条件有两个，一个是抽水机抽水管的孔径，一个是时间。孔径就是光圈，时间就是快门速度。 但是我们要问，如果这两者处理不好会出现什么情况？对于浇灌菜园来说，或是水没有浇足，菜园依然是“旱”，或是浇水过多，已经“涝”了，而这两种情况其实都是不利于蔬菜的生长的。对于摄影而言，那就是曝光不足与曝光过度。如果曝光不足，应该记录下来的影像没有来得及记录，照片扩印出来后就是暗部细节丢失，黑的地方没有层次，成了一团死黑；如果曝光过度又是如何？当然就是景物的高光部分的细节丢失，白的地方成了一片死白了。 所以，照相机的关键部件当然就是光圈与快门的控制了。 3.现代照相机的结构 图1-3 现代照相机结构 科技发展的日新月异，使生产出的照相机花样百出、种类繁多、结构复杂、机械精密，新产品层出不穷。 无论各种照相机如何变化，结构如何纷繁，但它们的基本结构是一致的： 一是要具备将特体结成光学影像的成像系统，即镜头； 二是要具备由镜头至胶片之间的曝光通道，即暗箱； 三是要具备一架能将各部件承装起来的载体，即机身； 四是要具备一个能盛装感光胶片的装置，即后背。所以，一切照相机的基本结构均为四个部分－－镜头、暗箱、机身与后背。关于这个四个部分，详述如下： （1）镜头部分 用光学玻璃制成的镜头，把进入镜头的光线汇聚起来，在感光胶片上形成一个清晰的影像。比较复杂的镜头由两片或更多的光学玻璃组成的透镜，叫做透镜单元。透影单元组成一个整体，这就是摄影镜头。 镜头根据功用不同，可以分为广角镜头，标准镜头与长焦镜头。一般说来，镜头的视角与人眼的视角相仿的被人们习惯上称为标准镜头，简称“标头”，比如在135胶片相机上，50mm的镜头最为接近人眼的视角，故50mm头常常被人们冠之以“标头”的称号。同理，如果比人眼的视角更广的镜头就被称为广角镜头了，比如35mm广角，24mm广角，乃至18mm超广角。比人眼的视角更小的镜头称为长焦镜头，比如85mm人像镜头，105mm微距，135mm长焦，180mm长焦，400mm长焦等。 但是数码相机的感光元件的尺寸远远小于135胶片的尺寸，现在的数码单反相机如果使用传统135胶片相机的镜头的话，常常要×1.5，比如过去的50mm镜头，现在变成了75mm的镜头了，相反，过去的小广角35mm的镜头接装在数码单反机上后反而最为接近人眼的视角，因此在数码相机上，35mm的镜头应该算作“标头”。 当然随着现代光学的发展，定焦镜头已不能满足人们日常生活的需要，于是各相机厂家纷纷研制开发变焦镜头，变焦镜头就是镜头的焦距是可变的那种，比如18-35被人称为广角变焦，35-70或28-70被人称为标准变焦，70-210被人称为望远变焦头等等。 小DC上也常常配备一只适用性较强的变焦头，一般为28-105或35-105的变焦范围，多数为3倍或4倍变焦，当然也有的数码相机配备了长达10倍变焦的大变焦头，比如索尼F-828相机的变焦就达到了10倍。但是一般的情况是，变焦比越大的镜头成像的质量往往越难以保证，所以选购相机时没有必要追求大的变焦比，3—4倍的变焦已经足够。 （2）暗箱部分 照相机的暗箱部分也就是单镜头反光式相机的联结部分，能保证通过镜头的光线准确地到达感光材料上，所以这个部分要求是严密不透光的，在单反相机内部，卸下镜头，我们可以看到一个长方形的镜片，这就是反光板，要相机内呈45度角放置，其功用是把通过镜头入射进来的光线反射到机顶的五棱镜中，供摄影者通过取景窗来取景、对焦、构图，当快门按下时，反光板上翻，光路阻断，快门帘打开，光线在感光元件上感光，这就是拍照的全过程，所以单反相机在拍照的瞬间，眼前变黑，什么也看不到了，是反光板上翻而截断了光路使然。 但在平视取景与现代家用的小DC中，由于镜头与机身是连接在一起的，不可拆卸，因此暗箱部分我们看不到，也因为这个部分并不需要摄影者进行任何操作，所以此不详述。 （3）机身部分 这是一部相机中最为重要的部分，可以说除了镜头外，摄影者的一切操作都在此部分中完成，又因为这个部分也是承载相机各部分的最主要的载体，所以结实是第一重要的。 无论相机的机身怎么变化，常规在机身的右上角就是快门按钮，考虑到人群主要是右手操作的习惯，所以其按钮设计在此处应该是最容易控制的，现代现相机的快门下方常常是一个液晶数据显示屏，上面提供出一些拍照时常用的光圈快门白平衡等参数，以利于拍照，在机顶的左右侧常常还要设计变焦控制钮，数据控制钮和电源开关等，因为相机的型号不同，设计也没有统一的标准。 消费级的相机的机身常常用工程塑料来做为材料，现代的工业材料已经很成熟，这种工程塑料在延展性，坚固性方面都已经相当成熟，如果不是强大的外力，一般情况下还是很耐用的。但高级一些的相机则采用金属来制造，虽然金属相机相对重量增加了，但因为金属的耐用性，抗恶劣环境的性能都很优异，所以高级相机在严寒酷暑也能正常工作，这一点是消费级的相机所不能比的。 （4）后背部分 传统相机的后背是可以打开的，拉开相机的后背的锁定装置，就可以打开后背，安装胶片，高级一些的相机除了可以拍照胶片以外，还提供数码后背让用户来选择，但就一般的功用来说，后背也就是用来安装胶片的。 而数码相机的后背则是不可打开的，因为数码相机内的感光元件CCD或CMOS并不需要我们去更换，所以是固定设计的。但这个后背上却安装了一块LED显示屏，用来构图取景或回放观赏。 在后背上数码相机也会设计很多按键，比如删除键，回放键，菜单键等，不一而足。 一般说来选择数码相机的时候不要太过于关注LCD显示屏的大小，那东西只是给我们拍照时提供参考的，其实它也只是所拍照片的模拟显示，屏幕越大越亮，显示的分辨率越高其实也越耗电，并且那上面显示出来的图像与我们把相片下载到电脑中去查看完全是两回事儿，很多人以为那上面的显示效果好，拍出的图像效果就一定好，这是完全错误的认识。 最后需要说明的是，如果想在拍摄中得心应手，手动功能越多的DC越好用，事实证明，全自动而手工无法操作的相机有使用中同手机差不多，只是像素高点罢了。   知识拓展 现代照相术的起源最早可追溯到墨子（公元前468～376年）在《墨经》一书中提到的小孔成象原理，以及元代赵友钦的针孔成象匣。在欧洲，16世纪著名画家达芬奇便发现：在一个房间的窗板上戳上一个小孔，然后关上所有的门窗，使房间变得一片黑暗，这时便可看到窗外的景色透过小孔，清晰地倒映在室内的墙壁上。这就是物理学上的“小孔成象”原理。后来其他画家把白纸挂在墙壁上，照着倒映着的线条复描，当画家移动挂在墙壁上的白纸与小孔的距离，便可将倒映在白纸上的图象放大或缩小，解决了当时复描图画技术上的一大难题。 17世纪末到18世纪初，随着玻璃工业的发展，人们制成了平板玻璃、玻璃透镜。有人利用暗室小孔成象的原理制成一个暗箱，箱上装了一块凸透镜以代替小孔，箱子的另一头装了一块磨毛了的平板玻璃。凸透镜把投射进来的光线聚焦，人们用画笔在那平板玻璃上描画下各种大自然的景色。这暗箱，就是最原始的照相机。光学家为改善象质，在透镜上不断地做文章，就形成了一系列照相镜头，这就是现代人所称的照相物镜。机械设计师不断完善和改造那个笨重的木头暗箱，这就是现代摄影者所称的照相机机身。 但是用画笔来摘下倒映在玻璃上的景色，毕竟太麻烦了，这就需要发明一种能够感光的“照相纸”。1813年法国的涅普斯发现了一种地沥青受晒后会变色，具有一定的感光性能，便使用它作为感光剂。具体方法是：把地沥青溶于薄荷油中制成溶液，然后涂在金属板面上；曝光后浸在煤油中，使薄荷油溶于煤油，于是在金属板上便显出影象来了。不过得到的影象仍然是十分模糊的。后来，法国画家达盖尔与汉普斯共同进行研究。直到1839年在达盖尔解决了显影、定影等技术难关后，世界上才公认从那时起发明了照相术。 那时的“胶片”便是碘化银感光板，感光性能实在太差了，加之照相机用的多是用一二块透镜组成的长焦距镜头。造成进入暗箱的光线很弱，因此拍摄一幅照片需很长时间，形成的影象也太模糊。人们决心进一步提高感光板对光的敏感程度，即感光度。1871年发明的溴化银明胶干版法是采用明胶代替硝棉胶，用溴化银代替碘化银，涂在玻璃片上，制成干版。这样感光度可大大提高，曝光时间缩短为几分之一秒、几十分之一秒，乃至更短的时间。 为了适应感光底板感光度的迅速提高，控制曝光时间的长短，人们在照相机中装上了快门。这样人们使能拍摄到飞鸟、奔马之类的快速运动物的照片。当有了镜头、快门、胶片、机身等一系列主要部件后，一个现代照相机的雏形随着照相术的发展就初步完善了。

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