求照相机的原理、分类及发展前景

\照相术与照相机的形成
摄影，不仅被广泛地应用于国民经济中的各个领域，而且已经成为广大人民现代文明生活中的不可缺少的重要组成部分。

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世纪着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煳的。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，形成的影象也太模煳。人们决心进一步提高感光板对光的敏感程度，即[url=]感光度[/url]。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报高，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
（2）――照相机的基本组成
一、镜头

镜头使景物成倒象聚焦在胶片上。为使不同位置的被摄物体成象清晰，除镜头本身需要校正好象差外，还应使物距、象距保持共轭关系。为此，镜头应该能前后移动进行调焦，因此较好的照相机一般都应该具有调焦机构。

二、取景器

为了确定被摄景物的范围和便于进行拍摄构图，照相机都应装有取景器。现代照相机的取景器还带有测距、对焦功能。

三、控制曝光的机构——快门和光圈

为了适应亮暗不同的拍摄对象，以期在胶片上获得正确的感光量，必须控制曝光时间的长短和进入镜头光线的强弱。于是照相机必须设置快门以控制曝光时间的长短，并设置光圈通过光孔大小的调节来控制光量。

四、输片计数机构

为了准备第二次拍摄，曝光后的胶片需要拉走，本曝光的胶片要拉过来，因此现代照相机需要有输片机构。为了指示胶片已拍摄的张数，就需要有计数机构。

五、机身

它既是照相机的[url=]暗箱[/url]，又是照相机各组成部分的结合体。可用框图表示照相机的最基本组成部分。

其实，就照相机这个基本功能而言，无论是早期的“银版照相机”，还是今日已经高度电子化、自动化、电脑化的照相机，其基本原理都没有多大区别。

3）――照相机的分类
照相机一般可按其使用技术特征如：画幅大小、取景方式、快门形式、测光方式来分类，也可按照相机的外形和结构来分类。具体分类情况如下：

(1)按照相机使用的胶片和画幅尺寸

可分为35mm照相机(常称135照相机)、120照相机、110照相机、126照相机、中幅照相机和大幅照相机等。135照相机使用35mm胶片，其所拍摄的标准画幅为24mm X 36mm，一般每个胶卷可拍照36张或24张。

(2)按照相机的外型和结构

可分为平视取景照相机和单镜头反光照相机。此外还有双镜头反光照相机、折叠式照相机、转机、座机等等。

(3)按照相机的快门形式

可分为镜头快门照相机(又称中心快门照相机)、焦平面快门照相机、程序快门照相机等。

(4)按照相机具有的功能和技术特性

可分为自动调焦照相机，电测光手控曝光照相机，电测光自动曝光照相机等。此外还有快门优先式、光圈优先式、程序控制式、双优先式、电动卷片(自动卷片、倒片)照相机，自动对焦(AF)照相机，日期后背照相机，内装闪光灯照相机等。

有时也可按照相机的用途来分，如一步成象照相机，立体照相机；有时也可按镜头的特性分为变焦或双焦点照相机。实际上一架现代照相机往往具有多方面的特征，因此应以综合性的方式来定义。

（4）――摄影光学基础
照相机的工作过程，概略地说是应用光学成像原理，通过照相镜头将被摄物体成像在感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成像原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成像原理。

人类对于光的本性的认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个18世纪中，光的微粒流理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源发出并以直线向四面八方辐射。19世纪初，以杨氏（Young）和菲涅耳（Fresnel）的着作为代表逐步发展成今天的波动光学体系。如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时具有波的性质和微粒（量子）的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是它们的混合物。

从本质上，讲光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波，即波的振动方向与传播方向垂直。一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播，和水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用λ表示。传播一个波长所需的时间称为周期，用T表示，一个周期就是一个质点完成一次振动所需要的时间。1秒内振动的次数称为频率，用ν表示。经过1s振动传播的距离称为速度，用“v”表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关系：
v=λ/T ，ν=1/T，v=λν

由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小一部分。波长在400～700nm的电磁波能够为人眼所感觉，称为可见光，超过这个范围人眼就感觉不到了。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短，光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中具有完全相同的传播速度，数值是c=300,000km/s。

光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设计照相机镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传播能量的几何线，叫做光线。光源A发光就是向四周发出无数条几何线，这无数条具有方向的几何线就叫做光线。这样在几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学问题，问题简化多了。
下面叙述几何光学的几个基本定律——光线的传播规律：
(1)光的直线传播定律 光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为一直线。光的直线传播现象在日常生活中随时随地可以见到，如物体被光照射而成影，[url=]小孔[/url]成像等。光的直线传播引出了光线这个概念。

(2)光的独立传播定律 光的传播是独立的，当不同光线从不同方向通过介质某一点时，彼此互不影响。当两支光线会聚于空间某一点时，它的作用为简单的叠加。光线的这一性质，使被拍摄物体各点的光互不影响地进入照相镜头，在成像面上成像。

(3)光的反射定律 当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光的反射。光的反射定律指出：
①入射光线、反射光线和分界面上光投射点的法线在同一平面内，人射光线与反射光线分别位于法线的两侧。
②人射角和反射角相等。入射光线与法线N的夹角记为入射角，用i表示；反射光线与法线N的夹角记为反射角，用α表示。则有i=α。光的反射现象还具有可逆性，假如光线逆着原来反射光线方向入射到界面上，那么它将逆着原来入射光线的方向反射出去。随着界面的不同，反射又可分为定向反射和漫反射。从一个方向入射到光亮、平整的镜子上的光线，入射点都落到同一平面上，其反射都向着同一方向，则称为定向反射。当光从一个方向投射到粗糙表面上时（如毛玻璃面等），由于粗糙面可以看成由许多角度不同的小平面组成，光线便从各个不同的方向反射出去，称为漫反射。但需注意在漫反射现象中，就每一条光线而言都还是遵循反射定律的。

光的反射，在[url=]照相术[/url]中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当光线从各个角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反射光进行拍照，就是遵循光的反射定律。

（5）――照相镜头特性及分类
照相镜头是照相机的最重要部件之一，一般由多片正透镜、负透镜、胶合透镜组，以及固定这些光学元件的金属隔卷和镜筒组合而成。它的作用是把被摄目标清晰地成像在[url=]感光[/url]胶片上。

一、照相镜头的光学特性

照相镜头的光学特性可由三个参数来表示，即照相镜头的焦距f、相对孔径D/f和视场角2ω。其实就135照相机而言，其标准画幅已确定为24mm X 36mm，则其对角线长度为2η=43.266。照相机镜头的焦距f和视场角ω之间存在着以下关系：
tgω=η/f
式中：2η——画幅的对角线长度；
f——镜头的焦距。

照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力，用D/f表示。它定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）D与镜头焦距f之比(图1-2-9)。例如有个照相机镜头的最大光孔直径是25mm，焦距是50mm，那么这个照相机镜头最大相对孔径就是1/2。相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称F数，即F=f/D。

在照相机的镜头上都应标有光圈数。国家标准按照光通量的大小规定了各级光圈数的排列次序是0.7，l，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22…但国家标准允许镜头的最大相对孔径标记可以不符合标准系列中的数字。当焦距f固定时，F数与入瞳直径D成反比。由于通光面积与D的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数在最小数时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。光圈每差一级（其数值比都是1.414），其光通量就相差一倍，如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，F数是个特别重要的参数，F数越小，镜头的适用范围越广。
二、照相镜头的分类

照相镜头的分类方法很多，但通常按下述的方法来分类：

(l)按镜头的焦距或视场角来分类，把镜头分成：标准镜头，短焦(广角)镜头，长焦(望远)镜头三类。

一般照相机出售时，大都配置有标准镜头。标准镜头的焦距和底片画幅的对角线长度基本相等。其视场角虽仍有大小差别（一般在45°～55°之间），但大都接近人眼的视角。因此用标准镜头拍摄的照片，其画面景物的透视关系比较符合人们的视觉习惯。由于标准镜头的焦距、视场角、拍摄范围、景深，以及在相同拍摄距离上所获得的影象尺寸等均比较适中，因而这种镜头应用最广泛，最适合拍摄人像、风光、生活等各种照片。

广角镜头就是短焦距镜头。根据焦距的长短又有广角与超广角镜头之分。其特点是：焦距短、视场角大、拍摄景物范围广。在环境狭窄无法增加距离的情况下，使用广角镜头可以扩大拍摄视野，在有限距离范围内拍摄出全景或大场面的照片。广角镜头还具有超比例地渲染近大、远小的特点，有夸张前景的作用。在摄影中可充分利用其所创造的特殊透视关系，来夸大景物的纵深感，突出所强调的主体部分。广角镜头的焦距较短，景深较长，拍出的照片远近都很清晰。因此，它比技适合于抓拍一些来不及从容对焦的活动，比较适宜拍摄大场面的新闻照片，或在室内拍摄家庭生活照片等。由于广角镜头的祝场角大，景深范围大，在风光摄影中它是不可缺少的摄影镜头。目前市场上一般的塑料自动照相机都装配了广角镜头。

中焦距镜头属于长焦距镜头一类，中焦距镜头的焦距约为标准镜头焦距的两倍，长焦距镜头其焦距则更长一些。其共同的特点是：焦距长，视场角小，在底片上成像大。所以在同一距离上能拍得比标准镜头更大的影象。它适合于在远处拍摄人物或动物的活动，拍摄一些不便于靠近的物体，从而获得神态自然、生动逼真的画面。由于中、长焦距镜头的景深范围比标准镜头小，利用此特性有利于虚化对焦主体前后杂乱的背景，而且被摄主体与照相机一般相距比较远，在人象或主景的透视方面出现的变形较小，拍出的人象会更生动，因此人们常把中焦镜头称为人像镜头。一般的民用用户很少使用长焦镜头，这是因为长焦镜头的镜筒较长，重量重，价格相对来说也比较贵，而且其景深比较小，在实际使用中较难对准焦点，因此常用作专业摄影。

(2)按镜头的聚光能力分为超透光力镜头，照相物镜其相对孔径的大小应达到1:2.8以上；强透光力镜头，1:3.5～1:5.8；正常透光力镜头，1:6.3～1:9；弱透光力镜头，小于1:9。

(3)按镜头的焦距能否变化，又可分为定焦镜头和变焦镜头两类。

由于光学设计水平、光学玻璃熔制技术的迅速提高，手头比较富有的摄影爱好者已有可能选用焦距可在一定范围内改变而保持象面不动的光学系统。这种在一定范围内可以变换焦距值、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影象和不同景物范围的照相机镜头称之为变焦距照相物镜，简称变焦镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。由于一个变焦镜头可以兼担当起若干个定焦镜头的作用，外出旅游时不仅减少了携带摄影器材的数量，也节省了更换镜头的时间。目前，国外生产的高档全自动傻瓜照相机几乎都配置有小变倍比的变焦镜头。

变焦镜头根据变焦方式的不同，又可分为单环式和双环式两种。单环式变焦距镜头，变焦和调焦使用同一拔环，推拉它变焦、转动它调焦；优点是操作简便、迅速。双环式变焦距镜头，变焦距和调焦面各用一个环，分别进行；优点是变焦和调焦两者互不干扰，精度较高，但操作比较麻烦。在目前上市的变焦距镜头中，有些在镜头前圈上还标有"Micro"字样，意为可作微距摄影，也可作超近摄影，这样的变焦距镜头更具有多用性。

但是，变焦距镜头由于其光学系统和机械结构较为复杂，因此加工和制造比较困难，受价格、体积和重量的制约。变焦镜头的相对孔径不可能做得很大，有时为减小体积或为保证象差，镜头往往只能变孔径。
（6）――像差和镜头等级
像差对成像质量的影响
照相镜头的等级标准

日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响，要对一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异，这种成像的差异就称为镜头（或成像光学系统）的像差。

像差是由光学系统的物理条件（光学特性指标）所造成的。从某种意义上来说，任何光学系统都存在有一定程度的像差，而且从理论上来讲总也不可能将它们完全消除。肉眼和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要像差的数值小于一定的限度，我们就认为该系统的像差得到了矫正。下面我们简单扼要介绍照相镜头的像差分类、形成和矫正方法。

透镜的像差可以分成两大类：单色像差及色像差。

一、单色像差
如果镜头只对单色光成像，那么共有五种性质不同的像差．它们是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变。

1、球差
由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成像后，由于透镜球面上各点的聚光能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心的对称的弥散斑，这种像差称为球差，球差的大小与物点位置和成像光束的孔径角大小有关。当物点位置确定后，孔径角越小所产生的球差也就越小。随着孔径角的增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。在照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。因此在拍摄时，只要光线强度允许，就应该使用较小的光圈拍照，以便减小球差的影响。

2、彗差
光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模煳。这种轴外光束引起的像差称为彗差。彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。彗差的大小既与孔径有关，也与视场有关。在拍摄时与球差一样，可采取适当收小光孔的办法来减少彗差对成像的影响。

摄影界一般将球差和彗差所引起的模煳现象称为光晕。在绝大多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。由于轴外像差的存在，我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高，至多一致，即两者具有相同的成像缺陷，此时我们称等晕成像。随着相对孔径的增大，球差和彗差的校正将更加困难，放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那档光圈渐晕最小，在可能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成像质量。

3、象散
象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成像缺陷的一种像差，仅与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的像差，称为象散。子午细光束的会聚点与孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大小，就是象散的数值。由于象散的存在，使得轴外视场的象质显着下降，即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向均无法同时获得非常清晰的影象。象散的大小仅与视场角有关，而与孔径大小无关。因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使被摄体处于画面的中心。

4、场曲
当垂直于光轴的物平面经光学系统后不成像在同一象平面内，而在一以光轴为对称的弯曲表面上，这种成像缺陷称为场曲。场曲也是与孔径无关的一种像差。由于象散的存在，子午细光束所形成的弯曲象面与弧矢细光束所形成的弯曲象面往往不重合，它们分别称为子午场曲Xt和弧矢场曲Xs。用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模煳；而当调焦至画面四周影象清晰时，画面中央处的影象又开始模煳，无法在平直的象平面上获得中心与四周都清晰的象。因此在某些专用[url=]照相机[/url]中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的影响。因为广角镜头的场曲总是比一般镜头大，因此在拍团体照时将被摄体作圆弧形排列，就是为了提高边缘视场的象质。

5、畸变
畸变是指物体所成的象在形状上的变形。畸变并不影响象的清晰度，只影响物象的相似性。由于畸变的存在，物空间的一条直线在象方就变成一条曲线，造成像的失真。畸变分桶形畸变和枕形畸变两种。畸变与相对孔径无关，仅与镜头的视场有关。所以在使用广角镜头时要特别注意畸变的影响。