光学小论文

光学小论文：数码相机原理

照相机从胶片式的到如今的数码相机一直在不断发展走进千家万户，那么这个我们经常使用的光学仪器里有多少光学知识呢。以前我了解甚少，只隐约知道其中有很多透镜组进行成像，买相机是看着那些眼花缭乱的规格参数也是一头雾水。这学期刚刚学习了光学，我决定通过查阅一些资料运用一些学过的知识，初步了解一下照相机的内部原理。

（1）小孔成像

数码相机在基本成像原理上，与传统的胶片相机乃至相机的老祖宗均属“同宗同源”——它们所遵循的都是“小孔成像”原理。我们知道，光在同一均匀介质中、不受引力作用干扰的情况下，沿直线传播；因此它在遇到阻隔物上的孔洞时会穿过它，并能在孔后一定距离内的对应平面上投射出一个倒立的实影；只要投影面周围的环境足够暗，影像就能被人眼所观看到。

照相技术的发明者正是利用光的这一的特性与传递原理，以光子为载体，把某一瞬间被摄景物的光信息以能量方式通过设在相机上“孔洞”传递给后方的感光材料。简单地说，照相机的基本工作原理就是——将景物影像通过光线的各种传播特性准确地聚焦在具有感光能力的成像平面上，通过各种辅助手段控制光线的流量，从而获得符合用户要求的影像画面，最后通过不同的手段保存下来。在照相机上，“小孔成像”原理中的“小孔”就是大家一定不会感到陌生的“镜头”（其实更精确的描述应该是镜头内的光圈孔），而镜头后方的感光体（感光材料）便是“投影面”。

（2）镜头

“小孔成像”只能简单地“留影”，却无法便捷地控制成像大小与清晰度，这个问题可以通过使用可改变光线聚散的“透镜”来解决。为了获取清晰的成像，早在16世纪欧洲人设计的暗箱上就已经采用了透镜，照相机沿用了这一设计并将其发扬光大。所以准确地说，照相机所遵循的是——以“小孔成像”为基础的“透镜成像”原理。

相机上安装这类透镜的部分就是我们所说的“镜头”。随着技术的发展，人们发现改变被摄物体或景象的大小范围与清晰度，可通过在镜头中使用、组合不同规格的透镜并调节其位置来实现，因此镜头结构逐渐变得复杂起来。如今的照相机镜头一般都内含由好几片透镜组合而成的“复合镜组”，其中一部分用来控制成像范围（视角）与清晰范围，另一部分则

是为了提高成像效果、减少几何变形而特别加入的；当然很多时候镜片组合的功效是相辅相成、兼顾功能与性能的。

镜头剖面示意图

镜头按视角被分为很多种类，各有用途不同；而价位不一的镜头其成像效果往往存在差距，这是由于镜片档次、镀膜水平等多方面因素所导致的。

（3）焦距

焦距是光学系统中衡量光聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。置于照相机系统中时，焦距便是指从镜头透镜中心到成像平面（也就是感光材料）的距离。现在的镜头都是由数个镜片组成，那么上述概念中的“透镜中心”究竟是指其中哪块呢？事实上，无论镜片数量多寡，我们都可以将镜头的整个透镜组视为一个虚拟整体，而所谓的“透镜中心”就是这个虚拟整体的主平面中心。对于某些镜头而言，出于各种各样的原因会采用特殊的构造设计，在光路变化方面较为复杂，但核心原理上大同小异，都是利用透镜的光线聚散效应。

不同焦距、不同感光面积下的视野范围示意图

通过上图不难发现——焦距所能决定的是镜头的视野范围（视角），视角则影响着被摄物像在感光面上的大小；但视角又不仅仅完全取决于焦距，还和感光体（感光材料）的面积大小有关。如图所示，左侧与中间对比，两者的感光面积相同但焦距不等，短焦距下的视野范围明显比长焦距时广阔；而中间与右侧比较，两者焦距相同但感光面积不同，感光面积与视野范围成正比。

在焦距的延伸概念中，“对焦”与“变焦”是两个比较容易混淆的概念。早期的相机镜头焦距都是固定不变的，后来随着技术发展出现了焦距可变的镜头，调节这种镜头焦距的过程，就是“变焦”，这种镜头就是所谓的“变焦镜头”。至于“对焦”，最终调节并改变的并不是视野范围，而是镜头的成像清晰范围。某些镜头内的透镜组在面对距离自己远近不同的被摄主体时，需要调整镜片的位置才能确保被摄物的清晰度达到用户的要求，这个调整过程就是“对焦”。对焦成功称之为“合焦”，对焦不成功称之为“失焦”；镜头无法精确对准用户想要的点而出现对焦偏差，习惯上将这种现象叫做“跑焦”。

简而言之，变焦的时候焦距发生变化、视野随之改变；对焦时视野也会发生变化，但只要对焦过程中不进行变焦，对焦完成前后的视野范围是保持不变的；未必每支镜头都有变焦功能，但所有相机镜头在正确使用时都要进行对焦。对于今天的数码相机而言，对焦可分为手动方式与自动方式两种，支持手动对焦的镜头上设有专门的“手动对焦环”。支持变焦功能的镜头上都设有“变焦环”，不过某些镜身一体相机的变焦功能通常设在机身上，因此没有独立的变焦环。

（4）光圈

如果我们将镜头视为“小孔成像”中“小孔”的载体，那么光圈就是小孔的具体开孔大小；它决定了进光量的多少和成像的清晰范围。事实上，光圈既是一个参数也是一个部件；不过作为一种部件，其精确的称呼应该是“光圈叶片”。光圈叶片通常安装在镜头内，是一组重叠设计的片状体，其中央形成一个面积大小可灵活调节的多边形孔洞，进入的光线只有先通过这个孔才有机会传递到镜头后方的感光材料上。

光圈叶片所控制的不同开孔面积所带来的进光量自然是不等的，通用的标准就是看“光圈系数”。按照惯例，光圈系数采用比例值记法，也可用“f值”来表示。其运算公式如下：镜头的最大光圈系数=镜头有效口径/镜头焦距。有效口径大小决定了捕获光线的能力（口径越大进光量约多），而焦距长短则决定了光线在镜头中传播的时间（焦距越长传播速度越大），最终通过镜头的实际光强由这两个因素共同作用而得。

当镜头焦距与自身有效口径相同时，两者比值为1:1，此时光圈系数即为1:1，f值则记作f/1.0；但大多数情况下，镜头有效口径通常小于焦距值，如两者间比值为1:1.4，那么其最大光圈系数即为f/1.4。对于光圈系数而言，其f值越小，进光量越大；f值越大，进光量反而越小；在其他条件均相同的前提下，f/1.0的进光量大于f/1.4。基于圆面积计算公式“πr平方”，我们来具体测算一下两者间的光量差：

常见的光圈f值有f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22、f/32等，这些都叫做整级光圈。相邻的两个整级光圈的平方值相差约一倍左右，进光量也基本相差一倍；通常习惯下将f/2.8以上视为大光圈，f/11以下视为小光圈，中间范围称为中等光圈。当然，如今大多数镜头的光圈值都可以做更为精密的调节，而镜头的最大光圈f值也未必恰好是整级光圈；在相邻的两个整级光圈f值之间会有一至两档的微调范围，譬如f/5.6至f/8之间通常有f/6.3、f/7.1两级。

一款最大光圈为f/2的镜头在不同光圈系数下开孔大小比例示意图

对于一款镜头而言，光圈系数有最大、最小两个主要指标。部分变焦镜头的情况会复杂一点——其不同焦距下的最大光圈与最小光圈是不一样的，短焦距下的最大和最小光圈系数要比长焦距下来的大；不过比较高档的变焦镜头在不同焦段下的光圈系数则通常被设为一个不变的恒定值。厂商在镜头的型号上除了标明焦距、焦距范围之外，通常也会注明其最大光圈系数或系数范围。此外，不同镜头使用的光圈叶片数量也往往不尽相同，叶片数量对于焦外成像、星芒数量等实际拍摄效果会产生影响。

（5）快门

除了光圈之外，在镜头与感光材料之间还有一个部件会对光线的流通起到关键作用，它就是“快门”。只有当快门打开时，从镜头射入的光线才有机会被感光体捕获。

很长一段时间内，快门都是作为照相机必不可少的组成部分而独立存在的；有些相机的快门被置于镜头中，而有些则置于机身中紧靠着感光体，习惯上称之为“焦平面快门”。随着技术的发展，在数码相机上分派出“机械快门”和“电子快门”两大阵营——前者依然是一个独立的部件，而后者却是利用电信号的开闭在芯片上模拟快门功效，而不存在快门实体。快门这个概念对于相机而言是不可或缺的，无论是“机械”还是“电子”，只是它不同的工作方式而已。使用的时候，快门就好比是一道精确性、灵敏度都极高的帘子；有些机械快门

的主体部分通常就是两张钢制的薄片或一张不透光的布帘，关闭时遮挡光线，适当的时候则被打开以允许光线通过。

虽然都是为了控制光强，但快门与光圈不同，它没有大小之分，只有快慢之别。快门每开闭一次的工作间隔时间称之为“快门速度”；正常工作状态下，相机快门开闭一次既完成一次有效曝光。快门速度通常具有很大的调节范围，快至数千分之一秒之短、慢至数十秒之长，而不同档次的相机快门指标往往是有显著差别的；而对机械快门来说，制造工艺不同的产品使用寿命也往往差距明显。

快门与光圈共同配合，分别把握时间与强度，从而达到控制进光量并营造影像效果的目的。在固定的光照条件下，光圈不变时，快门速度越高，进光量越小；快门速度越慢，进光量越大。与此同时，快门速度与光圈系数之间还存在一个“倒易律”（有时也被称为“互易律”）。譬如f/1.8、1/500秒，f/4、1/100秒以及f/8、1/25秒这三个曝光参数组合所获得的曝光量是完全相等的；然而由于光圈、速度各不相同，采用这三种参数所能获得的影像效果特征却可能完全不同。基于这一规律，人们就能在保证曝光充分、恰当的前提下，利用不同的曝光参数组合创作出风格不同的摄影作品。需要说明的是，当快门速度大于1秒或小于1/1000秒时，可能会导致倒易律的失效。

（6）景深

大家应该都看到过“背景虚化”很明显的照片，事实上程度不同的背景虚化就是由深浅不同的景深造成的。那么如何理解这一概念呢？

光点大小示意图

在光学领域中，我们将通过焦点并垂直于光轴的那个平面称为焦平面。如上图所示，如果我们将投射在这个虚拟平面上的光信息视为一个个独立的光点，那么这些光点是有大有小的。换而言之，我们肉眼所看到的由相机镜头捕获的影像，其实也可视之为由大小不等的光点所组成；越是细小的光点越能呈现出清晰的成像，而与粗大光点相对应的自然是模糊。在拍摄时，相机完成精确对焦之后，理论上对焦点处以及与此点处于同一焦平面上的物像以光点形式投影到成像面后，由于光点最小故可达到最高的分辨率，“脱离”这个平面的物像则会出现不同程度的分辨率下降；下降幅度由物象所处的实际位置及其与镜头间的物理距离所决定。

但事实上，对于略微增大的光点所导致的清晰度下降，人眼是无法清晰分辨的；因此很多时候，对焦点所处平面前后一定距离内的影像清晰度同样也比较高，起码人们未必能够察觉出区别。可见对于人眼的视觉效果而言，清晰与不清晰之间存在一个范围，而所谓景深，就是指对焦点前后延伸出来的可接受的清晰区域范围。清晰范围小，称之为“浅景深”；清晰范围大则习惯上称为“大景深”。浅景深时，极近处和极远处的物象在视觉效果上会显得很模糊，而大景深时前后景相对都比较清晰。对于相机而言，景深是可以被改变、控制的，它与光圈大小、焦距长短、对焦距离远近这三大因素紧密相连。简而言之，光圈越大、焦距越长、对焦距离越近，景深则越浅；反之景深越大。

谈到景深就一定要顺便说说“超焦距”的概念，两者的关系很密切。超焦距其实也是一个距离概念；基于透镜成像原理，经过实践与测算人们发现——当镜头对焦在无穷远时，以人眼的分辨率，从某一距离开始至无穷远区域内的影像在视觉上都能保持相对清晰，这个距离临界值就是所谓的“超焦距”；如果镜头对焦距离恰好等于超焦距，则景深是从超焦距的一半距离到无穷远。譬如一支50mm镜头在f/8光圈时的超焦距为10m左右，其实践参考价值在于——将该镜头对焦于无穷远时，从相机成像面（感光面）之前10m处至无穷远范围内的所有物像对人眼而言都是清晰的，10m以内的物像则会出现不同程度的模糊；如果对焦点恰好在10m处，那么从成像面前5m附近至无穷远都同样清晰。

掌握了超焦距，有助于我们获得最大的景深范围，从而获得前后景都十分清晰的成像；而一些傻瓜式便携数码相机正是利用了超焦距来帮助普通用户拍出清晰的照片。需要说明的是，不同焦距、不同光圈系数下，超焦距是不同的；我们可通过某些镜头上的景深刻度表来确定不同光圈系数下的超焦距，但并不是每款镜头都带有刻度表；对此我们可以用公式来加以推算——超焦距=焦距的平方值/（光圈系数×模糊圈直径）。

限于肉眼的分辨率，当光点小到一定程度后，人们也就无法分辨它与更小光点之间的大小差异；换句话说，也只有当光点大到一定程度时，我们的肉眼才会察觉到视像的模糊。光

点直径是否能被肉眼所分辨的大小临界点就是所谓的“模糊圈”，更确切地说应该是“最小模糊圈”；在不同的成像面积上，模糊圈大小是不同的，成像面积越大模糊圈直径也相应越大。

（7）图像感应器

在文章的前面，我们已经不止一次提到过“感光体”和“感光材料”，而感光材料的变化正是传统相机与数码相机最大的区别。我们知道，银盐胶片是数码相机崛起之前使用最为广泛的感光体，如今却已逐渐远离大众视线。那么数码相机是通过什么来获取图像信息的呢；或者说它的“感光体”和“感光材料”是什么？答案是“图像感应器”，也被称为“图像传感器”、“感光元件”、“感光芯片”等；毫无疑问它是数码相机的核心电子器件之一。在今天的数码相机上，图像感应器不但代替了胶片的功能，而且也可用来进行电子取景，进一步简化了照相机的结构组成。目前的图像感应器主要分为CCD（电荷藕合器件）与CMOS（互补性氧化金属半导体）两大阵营。

CCD和CMOS都是基于光电二极管遇光后会产生强弱不等电流这一原理，利用光-电可转换特性，将投射在其感光面上的光像信息收集并转换为与之成相应比例的图像电信号；随后，电信号经过放大和模/数转换后变为数字化的图像信息，通过显示屏被人眼识别。

（8）像素

“像素”或许是大家接触最多的数码相机核心指标，它的概念与图像感应器密不可分。像素指标其实就是由感应器芯片上光电二极管的数量决定的——每个光电二极管等同于一个像素点；所谓“1000万像素”就意味着这块传感器上拥有约1000万个光电二极管。

像素多少所能决定的是这款数码相机所输出的图像文件的最大分辨率。譬如，一款500万像素的数码相机输出的图像文件最大分辨率只能达到2560×1920（积为4915200≈500万），而一款1000万像素的数码相机则可输出最大3648×2736（积为9980928≈1000万）的数字图像。通过这种计算方式得出的像素值也被称为“有效像素”，而图像感应器上还有一些不参与成像的像素点；所以大家往往会在数码相机的产品说明书或参数表上看到“总像素”和“有效像素”这两个描述，前者指得是这款数码相机采用的图像感应器上所有的光电二极管总数，其实际图像输出分辨率则应参考其有效像素值。

如今新一代的数码相机像素通常都达到1000万以上、少数高端产品已经超过2000万；虽然像素指标在某种程度上可能会决定两款产品不同的市场定位，但并不存在“像素越高的产品档次也一定越高”这一铁律，应具体产品具体分析。事实上，过高的像素对于相机的图

像品质反而会起到一定程度的负面作用，对于中小尺寸的图像感应器而言尤甚；因此某些品牌的部分产品在设计时会避免采用过高的像素，以利于获得更好的画质，在某些高档机型上也不例外。

（9）画幅

对于图像感应器，除了像素之外的另一个重要指标是“画幅”，说白了就是这块感光芯片的实际大小，它长多少、宽多少或对角线尺寸是多少。事实上，对于如今的数码相机而言，像素已非衡量产品档次的主要标准，而画幅大小却在相当程度上可以决定一款相机的市场定位。

便携式小型数码相机（有时候也被俗称为“卡片机”、“口袋相机”）通常采用画面长宽比为4:3的小尺寸感光元件（少数产品采用16:9长宽比）。因为小型感光芯片所对应的成像圈较小，由此镜头口径乃至机身体积都可以得到对应比例的缩小，对于以便携性为主要诉求的小型机而言优势显著。对于这类小型图像感应器，通常采用“X/X英寸”（譬如1/1.8英寸）的标记法来衡量其尺寸大小。

相较之下，可换镜头数码相机（也包括少部分镜身一体机）所使用的图像感应器则要大得多，一方面是为了与相对较大的镜头成像圈匹配，另一方面也是为了获得更好的图像品质。这类产品不采用上述的英寸标记法，不同的画幅尺寸有各自的特定名称，譬如：全画幅（36mm×24mm，等同于传统35mm胶片的单张尺寸）、APS-C画幅（22.xmm~23.xmm×14.xmm~15.xmm）、4/3画幅（18mm×13.5mm）等。

简而言之，画幅越大越有可能获得优异的画质，虽然感应器尺寸并非唯一或绝对的画质衡量标准，却是最不可忽视的要素之一。在画面纯净度、宽容度以及细节表现力（尤其是暗部细节）等诸多方面，画幅较大的产品通常优势明显。究其根源，相对较大的感光面积是主因；小型图像感应器与之相比，光敏元件的排列密度要大得多，彼此间出现干扰的可能也就随之增大，画质表现自然会逊色不少。但小画幅也有属于自己的优势，减小的法兰焦距可以让机身与镜头体积变得相对小巧，在便携性上更为突出；而寻求画质与便携性的平衡也成为目前不少相机厂商的设计诉求。

（10）感光度

感光度是指胶片或图像感应器对光的敏感度；在其他条件均保持不变的情况下，调高感光度能带来更大的曝光量（通俗地说就是让画面亮度更高），反之则能减少曝光量。在胶片时代，感光度取决于使用胶片的类型，如100度、200度胶卷就分别对应ISO 100和ISO 200

的感光度，它们在化学成分上有所不同。进入了数码时代，感光度则可以在相机上进行调节，不同档次的数码相机所支持的感光度也不尽相同，本质上取决于图像感应器。

感光元件通常用信号放大、叠加等方式来达到产生较高感光度的目的，因此对数码相机而言，其低感光度下的画质必然好于高感光度；而在较高的感光度下，图像画面会出现噪点、杂色等画质下降问题。需要注意的是，不同档次的产品对这种画面劣化的抑制能力是存在差距的——低档产品往往在ISO 800时就会产生噪点与杂色，而部分尖端产品在感光度高达ISO 3200时也未必能明显察觉到画质下降；这与图像感应器的尺寸以及像素密度都是有密切关系的。

（11）单反

单反就是指单镜头反光,即SLR(single lens reflex)，是当今最流行的取景系统。

在这种系统中，反光镜和棱镜的独到设计使得摄影者可以从取景器中直接观察到通过镜头的影像。单镜头反光照相机的构造图中可以看到，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏并结成影像，透过接目镜和五棱镜，我们可以在观景窗中看到外面的景物。拍摄时，当按下快门钮，反光镜便会往上弹起，软片前面的快门幕帘便同时打开，通过镜头的光线(影像)便投影到软片上使胶片感光，尔后反光镜便立即恢复原状，观景窗中再次可以看到影像。单镜头反光相机的这种构造，确定了它是完全透过镜头对焦拍摄的，它能使观景窗中所看到的影像和胶片上永远一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本上一致，消除了旁轴平视取景照相机的视差现象，从学习摄影的角度来看，十分有利于直观地取景构图。单镜头反光相机还有一个很大的特点就是可以交换不同规格的镜头。

数码相机中的原理还远不止这些，知识有限，在此仅写出所查阅的能够理解的部分原理。不过仅此也大大加深了我对数码相机的了解，加深了我对光学在生活中应用的感受。

徐静妍PB10210084