诺克:数码相机入门 成像原理关键词·上 - Soomal.com·数码多

●关键词之一：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。相信学生时代，大家都曾在自然常识课上做过“小孔成像”的试验，老师也肯定提到过这一原理与照相机之间密不可分的关联；如果你没有印象，那么当年教过你的老师肯定会很伤心……

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小孔成像示意图

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”。

在照相机被发明之前，人们就已经开始利用“小孔成像”原理制造各类光学成像装置，这种装置被称为“Camera obscura（暗箱）”。19世纪上半叶，人们终于找到了固定保存暗箱中投影面上光学图像的方法与介质，照相机工业由此发端，因此Camera obscura被认为是照相机的祖先；而“Camera”则成了照相机的英文名称。

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Camera obscura 暗箱

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暗箱使用示意图

●关键词之二：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。

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透镜

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。

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镜头剖面示意图

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镜头实体剖面图

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。对于这些，我们今后会有专文进行详细介绍。

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形形色色的镜头

●关键词之三：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，标准的衡量单位是“mm（毫米）”。或许有朋友要因此产生疑惑——前面谈到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。

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镜头型号上的焦距范围标示与镜头上的焦距刻度

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不同焦距、不同感光面积下的视野范围示意图

对于新手而言，焦距的作用通过文字来叙述显然不够直观，因此我们制作了上面这张简陋的模拟示意图。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。下面两幅照片是笔者站在同一地点用一台相机分别搭配两支镜头拍摄而得的，第一张使用的是短焦距的广角镜头，第二张用的是长焦距的远摄镜头。大家注意比较两张照片的视野范围及太阳底下集装箱吊车的大小，这就是焦距长短导致的效果差异。

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广角镜头的典型应用效果

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长焦镜头的典型应用效果

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，这里简单解说一下。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。

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相机镜头上的对焦环与变焦环