照相机结构

照相机结构 照相机的主要结构 照相机的结构示意图 ?机身 ?镜头 ?光圈 ?快门 ?胶卷 ?卷片器 ?取景框 照相机是一种集光学、机械、化学、电子、材 料于一体的仪器，大小部件很多，但其主要部件有镜头、 光圈、快门、 取景器、测距器、机身、卷片装置、闪光連动和自拍机等。 一、镜头的结构和成像原理 镜头是照相机的眼睛，它和人的眼睛一样，能使被摄物体形成一定的景象，并如实地记录在感光 片或者磁盘上。现代照相机机的镜头是一种复式镜头，它是由三、四片或者六、七片不等的凹凸透镜 组成。这些镜头口径大，并其面有镀膜，大大提高了镜头的透光能力和成象的清晰度，克服了单透 镜照相机容易出现的变形现象。镜头分为固定镜头和活动镜头两种，都安装在照相机的前端。 1、镜头的成像原理： 构成镜头的主要成分是玻璃透 镜。透镜又分凹透镜和凸透镜两种。凹透镜只能发散光线，不能成像； 凸透镜有聚光 的作用，能把 外界的各种光线会集起来，形成一定的影像。现代照相机的复式镜头都具有聚光成像的作用，而凹透 镜虽然没有聚光成像作用，但它有校正镜头成像时出现的各种像差的功能。 从凸透镜成像原理图可以看出，凸透镜左边有一个光点，透镜 将它的发散光线分别向主轴折射， 最后所有的光线会集成一个很清晰的小亮点。这个小亮点就是透镜左边光亮点的“像”，也就是光学上 讲的“焦点”。 假如透镜左边的光点换成一个物体，那么在透镜右边就不是一个小光点了，而是这个物体的影 像了。 影像倒置：经过透镜聚成的物体的影像，其各个部分的位置和 原物体恰恰相反，上下颠倒，左 右移位。这是因为光线都是直线传播的，这些光线穿过透镜分别向主轴折射后，到达成像屏上就会聚 成一定的影像。这时从图中可看到，从物体下部射来的光线并不会聚在下边，而是在上面；从物体左 边射来的光线也不会聚在左边，而是在右面。所以说，物体通过透镜会聚成的影像，其各部分的位置 都是和原物体相互倒置的。 2、镜头的焦距： 透镜成像在理想的情况下，同一物点发出的全部光线，通过透镜后仍相交于一 点，每一条直线都相对于惟一的一条直线，每一个平面，都对应于惟一的一个平面。这种物与像一一 相对应的关系，叫做共轭关系。一般地说，被摄物体离镜头30米以上，即称之为无穷远，用符号“?” 表示。无穷远处的物体散射出来的光线，通过镜头的透镜形成的像点，就是焦点。从焦点到透镜中心 的距离，就 是焦距。焦距用符号“F”来表示。除了变焦镜头以外，其它的 镜头的焦距都是固定的。常见的镜头的焦距有2.8cm、3.5cm、5cm、9cm、13.5cm等多种。 镜头焦距的长短，直接影响物体成像的大小。在同一地点，用不同焦距的镜头拍摄同一物体， 其形成的影像的大小是不一样的。这个变化的规律是，用的镜头的焦距越长，其物体成像就会越大。 反之，镜头的焦距越短，其拍摄物体的影像就会越小。即物体成像的大小与镜头的焦距的长短成正比。 镜头焦距增加一倍，物体成像也就增加一倍。如下图所示。 镜头焦距的长短还影响到镜头的透光量、镜头的视角大小和景深的长短。凡是焦距长的镜头，其透光 的能力较弱，视角较小，景深较短；而焦距短的镜头，其透光能力就较强，视角也较大，景深较长。 因此，在摄影时就要根据不同的需要，选取不同焦距的镜头。 3、镜头口径的光圈系数： 镜头的口径就相当于房子的窗口，窗子越大，进入房子里的光线就越多，室内就越明亮。镜头的 焦距就相当于房子 的深度。镜头的焦距越长，感光片上得到的光线照度就越弱；镜头的焦距越短，感光片上得到的光线 照度就越强。例如，有两个口径都为一吋的镜头，但它们的焦距不一样，分别为8吋和16吋，口径 与焦距的比值为1：8和1：16，显然，焦距为8吋的镜头比焦距为16吋的镜头的光通量要大。 我们通常把1：8 和1：16的比值写成f8和f16，“f”是一个系数，它表明镜头焦距对镜头口径的倍数。 口径相同 的镜头，焦距越长，f系数的数值就越大，而f系数的数值就越大，镜头的透光能力就越弱。如f2.8>f3.5>f5.6>f8> f11>f16>f22。 自然界的光线是瞬息变化的，时强时弱。在拍摄时，为了能让所需要的光线完全通过透镜，折 射到感光片上，使物体清晰成像，最理想的办法是使镜头的口径能随意调节，控制进入镜头光线的多 少，于是，人们就在镜头上安装上了“光圈”装置。 光圈一般都是由十几片微薄的钢片组成，装在复式透镜的中间，由按钮调节圆孔的大小。这些 不同口径的圆孔，其主要的功能就是控制通过镜头的光通量。圆孔的大小由数字表示，分别为1.4、2.8、4、5.6、8、11、16、22等，这些光圈的读数与镜头的相对口径大小是一致的。这样，虽然镜头 的口径不变，但由于光圈的调节圆孔的大小，也就是调节了镜头口径的大小，以此来调节透过镜头的 光通量，使到达感光片上的光的强度始终保持在一个恒定的量上，感光片也就得到了正确的感光。 以上光圈各档的数值通常又称之为光圈系数，都刻在了镜头的边缘上。 从光圈系数的排列上可以看出，光圈越小，其通过镜头的光通量就越小，而f系数的比值却越来越大，从 1.4一直递增为22。f系数比值大小，和实际镜头的光通量成反比，也就是说，光圈的读数越大，光圈开的就越小，通过 镜头的光通量也就越少。 4、镜头的视角： 镜头的视角范围有一定的限度。镜头视角的大小，取决于镜头焦距的长短和用底片尺寸的大小。焦距短，底 片尺寸大，视角也就大，拍摄范围广；反之，焦距长，而底片小，视角也就小，拍摄范围自然也就小。 (右图所示) 一般标准镜头的视角大约在50度左右。测定镜头视角的方法是：当镜头与底片保持在焦 点距离时，由镜头中心到底片对角线两端所形成的夹角，即是镜头的视角。例如焦距为6mm、f/2.8 Fisheye-Nikkor AIS的尼康超广角镜头，（左图）极适合于用来创造特别效果，220?的视角比一般的鱼眼镜大出40?，f/2.8的最大光圈使这支镜头能够在极暗的光线条件下进行拍摄。近摄距离：28厘米，5片滤镜内置于镜头中的旋转塔上。 5、加膜镜头： 相机 镜头的透镜表面，往往呈紫色、米黄色、深蓝色等，这是 在镜头透镜的制作时，让氟化物在高度真空中蒸发，在透镜的表面上就形成了一层带色的薄膜。其目 的就是为了尽量减少光线通过镜头时的反射， 降低光线的损失，把尽量多的光线都通过透镜到达感 光片，让感光片正确感光（左图）。 二、镜头的景深和超焦距 （1）景深的形成： 在摄影过程中，需要调准镜头的焦距才能拍摄 出清晰的照片，由于视场中的物体离镜头的距离是不一样的，也就是说它们的焦点是不在一 个焦点平面上的，由于镜头有共轭焦点（如左图所示）。图中A、B、C分别表示场景中的三个物点，若以A为目标聚焦，则A的像落在焦点平面上 的就是A'，那么在A点前后的B、C两点，其落在焦点平面上的就是B'和C'，是一个光斑，叫做弥散圈。当这个弥散圈的直径小到人的肉眼分辩 不出来时，B、C的光斑也被认为是清晰的像点，在焦点平面上，B'、C'的成像清晰范围叫做焦深。与焦深相 对应的被摄景物的清晰范围叫做景深。从被摄物到最近清晰点的距离叫前景深，被摄物到最 远清晰点的距离叫后景深。前后景深的和叫全景深，简称景深。 把不影响成像清晰度的最大模糊圈称为容许的弥散圈。弥散的直径是决定摄影焦深和测距精度的 重要参数。这个量值，由观看照片的距离、 放大倍率和眼睛的分辩率来决定的。从计算和实验的结 果证明，人眼观看任何物体，当人眼距离越过被观察物体直径3450倍时，这个物体成像 就是一个小点。一般的照片，（照度为50－200LX，照片的最大密度是1.9）以0.1mm作为照相容许弥散圈的直径，就是按照345mm视线距离来决 定的，这时，视角正好为1'，而平时明视距离观察即250mm，观察0.1mm物体时，其相应的视角比人眼的极限分辩角稍大一点(人眼的鉴别角2' -3')也是容许的。 135胶卷的弥散圈应在1/20－1/30mm,120胶卷则在1/10－1/20mm。通常规定的弥散圈直径以不超 过该照相机标准镜头焦距 的1/1000为原则。135照相机的标准镜头为50mm，它的1/1000就是1/20mm。如在135照相机上换上一个500mm长焦距镜头，仍按50mm计算，因为 胶片的尺寸未变。 （2）影响景深的因素 景深的大小是由光圈的大小、镜头的焦距和镜头到被摄物体之间的距离而决定的。 光圈大小也決定了景深的大小。光圈越大，景深越短；光圈越小，景深越长。在拍摄中，欲取最 小景深的最简单的方法是使用最大光圈。如果由于光线太亮，使用最大光圈配合相机上的最快速度， 曝光仍然过度的话，解决的方法之一是使用“灰色滤镜”，方法之二是换用片速低一些的胶卷。 要想使所有的被摄景物在画面上都能较为清晰地显现，则需要尽可能大的景深，景深越大，被摄 景物的清晰度也就越高。欲取最大景深的最简易的方法就是缩小光圈，尽可能使用相机上的最小光圈。 焦距的长短，直接影响着景深的长短，在同一个光圈、同一地点拍摄同个景物，镜头焦距越长， 它的景深就越短。用长焦距镜头拍摄，镜头伸出的长度，比短焦距要长，在焦点平面上形成的弥散圈 直径也大，焦深和景深也就变小了。 物距的远近。在光圈和镜头焦距不变的条件下，镜头到被摄物越远，其景深就越大，反之，则越 小。 因为物距和像距是共轭关系，焦距由近向远处调，焦点平面上形成的一系列的弥散圈变化不大。 这样可容许的弥散圈的范围较大，景深也较大；而物距逐渐减小时，焦点平面上形成的一系列的弥散 圈变化明显。这样可容许的弥散圈的范围较小，景深也较小。因此，在实际应用时，根据创作的要求， 把光圈、焦距和物距综合起来考虑，把景深控制在所要求的范围内。 （3）超焦距 当镜头调焦到无穷远时，从照相机到最近处清晰物面之间的距离H叫超焦距。超焦距是一个变量，它的长短是由照相机镜头的光圈大小、镜头焦 距的长度和拍摄时的物距来决定的。光圈开度越大，超焦距越大，成正比例关系；镜头焦距越短，超 焦距越短；在弥散圈大小不变的情况下，超焦距和焦距成正比。所以，要与景深区别开来，即超焦距 越大，景深则越小，成反比关系。两者不能混淆（左图）。 由形成景深的原理可知，当调焦点放在无穷远时，前景深到无穷远时是超焦距，而后景深没有发 挥作用。当调焦点移到景深前界限处，使最远清晰点仍在无穷远，而最近清晰点到镜头的最近距离， 恰好是超焦距的1/2，景深也就增大到1/2超焦距处，所以，用超焦距扩大景深，在摄影中被广泛地 应用。 发挥超焦距的作用，可以从两个方面考虑。一方面能最大限度地扩大景深范围，如在抓拍运动的 物体时即可运用。另一方面，适当开大光圈，可以相对提高胶片的感光度。一般来讲，要想得到从 3.12米到无穷远的景深，必须用f16的光圈，如果运用超焦距，则可以运用f8的光圈就可以得到同样 的景深范围。这样相对地增加了两级光圈。因此，在光线较暗的环境里拍摄，为了增加曝光量，由开 大光圈，利用超焦距增大景深，就可以同样达到预期的目的。 三、镜头的质量 镜头的优劣直接影响到照片的质量，而镜头的质量表现在镜头的透镜结像的清晰度、准确度和通 光量。一枚质量好的复合式镜头，是由多片凸透镜和多片凹透镜组成。凸透镜是具有聚光成像的能力， 凹透镜是具有校正像差的作用。但组合起来仍然相当于一个成像的凸透镜。 镜头的分辩率是指镜头对物像细微影纹的分辩能力。一般是利用镜头的分辩率的高低来评价镜头的 质量优劣。通常是在成像面上每一毫米的距离内所能清晰地分辩出黑白线条的条数，其单位是“线对 /mm”。国家规定，135、120照相机摄影物镜的分辩率标准分为三个等级，见下表： 标准 像幅 视场 一级 二级三级60×60(mm)中心视场 条/mm 26 21 15中心以外 条/mm 13 9 624×36(mm)中心视场 条/mm 37 31 26中心以外 条/mm 22 15 12 由于镜头的结构十分严密，要精确地鉴别镜头的质量，需要有专门的光学仪器。 通常有一个简便的鉴别方法： (1)察看镜头的最大口径。镜头的口径越大，说明它的感光能力越强。可以适应较 暗的拍摄环境，进行较快的速度曝光。 (2)观察镜头的分辨力。镜头在视场中心和视场边缘部分的分辨力是不一样的。镜头中心的强，边 缘的弱。镜头的质量越高，其分辨力就越强。根据这一原理，可以拍摄一块线板，看其照片的清晰度， 以此来测定镜头的分辨力，即可判断镜头的质量。 (3)观察像界的清晰度。像界的清晰度就是指镜头成像清晰和影纹纤细的程度。鉴别时， 可以在照相机的后面放感光片的地方，放置一块磨沙玻璃，通过它观察报上的字迹，检查影像的清 晰程度。 1.5 图1.14是针孔照相机示意图。该图用一个简单的几何模型为我们理解成像原理提供了一个例子。针孔照 相机（a pinhole camera）就是这样一个方形盒：盒的一个侧面中心有一个小孔，胶片就放置在盒子里与小孔 对应的内表面上。假设把盒沿着z轴放置，把小孔放在坐标原点。假设小孔很小，所以从点光源发出的光只 有一条光线能进入小孔。胶片离小孔的距离为d。图1.15是它的侧视图，根据该图可计算出点(x, y, z)成像后在平面z = - d上的位置。根据图1.15中两个三角形的相似关系，可以求得成像点在y轴上的坐标y： p y y,,pzd/ 同样方法，利用顶视图，有 x x,,pzd/ 图1.14 针孔照相机 (y, -d) p 图1.15 针孔照相机的侧视图 称点(x, y,- d)为点(x, y, z)的投影点。在理想模型中，胶片上该投影点颜色就是点(x, y, z)的颜色。照相pp 1机的视域或视角是允许成像在底片平面上的最大物体所张的角度。可以利用图1.16计算出视角，设h为照相机的高度，设θ为视角，则 h,1 ,,2tan2d 理想针孔照相机的景深是无穷远，在视域范围内任何 点都在聚焦范围之内。针孔照相机存在两个不足之处：一 个是小孔太小，只允许点光源的一条光线进入，这意味几 乎没有光进入到照相机；另一个是照相机的视角不能调节。 1 如果在三维空间而不是二维平面分析这个问，则底面的对角长度为h，参见习题1.1。 图1.16 视角 下面转到比较复杂的照相机和其他光学系统，它们使用的透镜都很小。用透镜去替换针孔照相机里的 小孔，上述两个问题就迎刃而解了。第一，镜头集聚了比穿过小孔更多的光线。第二，选择合适焦距的透 镜——相当于选择照相机d的值，可以得到任何角度的视域（最大可以到180?），然而透镜的景深不再是无穷远，并不是离镜头任意远的位置都在聚焦范围内。 在本章，我们的目的是讨论针孔照相机，它的焦距d就是照相机的正前面到胶片的距离。与针孔照相机一样，计算机图形学把视域内的所有物体成像在图像上。