相機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡介

1、相機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡介此網(wǎng)頁中將介紹各類相機(jī)的光學(xué)結(jié)構(gòu)部份，至于電子相機(jī)的電子結(jié)構(gòu)以及原理則非本網(wǎng)頁討論之范疇。針孔相機(jī)照相就是將物體的影像投射在感光介質(zhì)(底片上或是 CCD )上面，但是要達(dá)到此目的，并非一定要靠透鏡。各位在樹底下一定會(huì)發(fā)現(xiàn)，由樹葉透過的陽光似乎在地面上常常是一個(gè)一個(gè)的光亮圓形，其實(shí)那些光亮的圓就是太陽經(jīng)由樹葉縫隙所造成的針孔投影。如果您在紙上刺一個(gè)針孔，晚上放在白紙上方，就會(huì)發(fā)現(xiàn)頭頂上的燈會(huì)經(jīng)由針孔投射在下方的白紙上，這就是針孔成像，原理像上圖，每個(gè)點(diǎn)的光線經(jīng)過針孔形成一個(gè)倒立的影像。最簡單的針孔相機(jī)就是在機(jī)身蓋上面打個(gè)小孔，拍拍看就知道了。其實(shí)目前也有不少追求創(chuàng)意的攝影同好在利

2、用針孔原理來拍出與眾不同的照片，還有一些網(wǎng)站是專門探討針孔像的?，F(xiàn)在有數(shù)字相機(jī)更容易玩針孔，因?yàn)槭欠衿毓獬渥泷R上就可以揭曉，無須像過去要等待底片的沖洗。如果用針孔原理拍照，一般是要求針孔越圓越好，針孔的邊緣材料也越薄越好，但其實(shí)各有效果；創(chuàng)意才是藝術(shù)的生命，就是要與眾不同，那誰又能料到不遵守這個(gè)規(guī)則時(shí)會(huì)有什么意想不到的結(jié)果呢？單透鏡相機(jī)針孔雖然【可以】拍出照片來，但是實(shí)際玩一下就知道其實(shí)針孔要曝光很久，玩創(chuàng)意可以，但真正要實(shí)用就會(huì)有問題。如果要真正能實(shí)用的拍照，最簡單是使用透鏡，將凸透鏡對(duì)著窗外景物會(huì)在后方呈現(xiàn)一倒立之影像，這個(gè)影像投射在感光組件（底片或 CCD ）上就可以將影像記錄下來。簡單

3、的凸透鏡，像一般的放大鏡就可以作為照相的鏡頭，但是有色差、球面差、像場畸變、軸外向差等等的問題，這些問題使得影像不清楚或是邊緣影像不清楚，或者是變形嚴(yán)重；因此一般的單透鏡并不是良好的攝影鏡頭。在實(shí)際上并不是沒有單透鏡相機(jī)，一般的玩具級(jí)相機(jī)、或是拋棄式相機(jī)，有些就是單透鏡相機(jī)，不過此種相機(jī)不用一般的雙凸透鏡而是使用弧形透鏡，如左圖，該類相機(jī)一般使用塑料鑄模透鏡，后方有固定的光圈擋板，將光圈設(shè)定在 5.68 左右，在光線足夠的時(shí)候，弧形透鏡可以產(chǎn)生尚可接受的影像質(zhì)量。相機(jī)上方則有一個(gè)用凹透鏡及凸透鏡組成的觀景窗，觀景窗一般是凹鏡在前凸鏡在后的結(jié)構(gòu)。更簡單的拋棄式相機(jī)有些甚至沒有觀景窗透鏡。此類相機(jī)

4、的快門常常是只有一種速度，不能調(diào)整，位置則是緊貼在光圈后方。連動(dòng)測距相機(jī)(Range Finder Camera)連動(dòng)測距相機(jī)常有人稱為雙眼相機(jī)，其實(shí)那是錯(cuò)誤的，所謂的雙眼相機(jī)另有其【機(jī)】，后面再介紹。連動(dòng)測距相機(jī)其實(shí)只有一個(gè)鏡頭，如左圖，上方有觀景窗以及一個(gè)對(duì)焦窗，算起來似乎應(yīng)該稱為三眼。有些可更換鏡頭的一些連動(dòng)測距相機(jī)，因?yàn)橐浜喜煌咕嗟溺R頭，觀景器是另外卡在閃光燈的座子上，此種相機(jī)在購買鏡頭時(shí)常要同時(shí)買一個(gè)觀景器。 不能換鏡頭的連動(dòng)測距相機(jī)快門位置在鏡頭的光圈附近，稱為鏡間快門，此種快門一般最快可達(dá) 1/500 秒。因?yàn)殓R間快門與閃光燈的連動(dòng)方式是快門開到最大時(shí)引發(fā)閃燈，所以任何速度都

5、可以與閃光燈同步?？梢愿鼡Q鏡頭的連動(dòng)測距相機(jī)，快門位置則與目前一般的單眼相機(jī)類似，在貼著底片的前方，一般為布簾構(gòu)造，在速度超過 1/60 秒的時(shí)候，除了加快布簾的開闔速度之外，還將前后兩片布簾的距離縮小，所以實(shí)際上是一條窄縫經(jīng)過底片前方來完成曝光，閃光燈是在第一片布簾到定位時(shí)引發(fā)，此時(shí)其實(shí)第二片布簾已經(jīng)【跟過來了】，已經(jīng)遮住了一部份的底片，所以布簾式的快門常有閃燈同步速度限制在低于 1/60 秒的現(xiàn)象。連動(dòng)測距相機(jī)連動(dòng)測距原理如左圖，最左方為觀景窗，內(nèi)有一片半透鏡，可以看到拍攝景物；右方則有一個(gè)對(duì)焦窗，對(duì)焦窗內(nèi)有一反射鏡，反射鏡可將觀景窗中央看到同樣景物的一小部份反射經(jīng)過觀景窗的半透鏡，因此觀

6、景窗中可以看到景物的中央還有一個(gè)由對(duì)焦窗反射來的影像。對(duì)焦窗的反射鏡下方有連動(dòng)桿，連動(dòng)桿與鏡頭上的對(duì)焦環(huán)有互動(dòng)關(guān)系，當(dāng)對(duì)焦時(shí)會(huì)影響連動(dòng)桿使反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)反射鏡中的影像與觀景窗中的影像重合時(shí)即為【合焦】。因?yàn)檫B動(dòng)測距相機(jī)反射鏡與觀景窗的距離有限，使得對(duì)焦精度產(chǎn)生限制，一般連動(dòng)測距相機(jī)能精確對(duì)焦的鏡頭焦距為 135mm，所以才有這么一個(gè)奇怪的焦距。連動(dòng)測距相機(jī)如果將對(duì)焦測距系統(tǒng)以電子訊號(hào)偵檢系統(tǒng)代替，則變?yōu)楹唵涡偷淖詣?dòng)對(duì)焦相機(jī)。雙鏡反光機(jī)(Twin Lens Reflect)外型像左圖這樣的才是真正的雙眼相機(jī)，更正確的應(yīng)該說是雙鏡反光機(jī)，此類相機(jī)都是使用 120 底片，有兩個(gè)鏡頭，一上一下，上方為

7、對(duì)焦鏡，下方為拍攝鏡，上方的對(duì)焦鏡常常是庫克三重鏡結(jié)構(gòu)，而下方有些廉價(jià)機(jī)型使用與上方對(duì)焦鏡同樣的鏡片結(jié)構(gòu)，有些稍微高價(jià)的則使用 Tessar 結(jié)構(gòu)，而更高價(jià)的機(jī)種則使用更為復(fù)雜的五片或六片結(jié)構(gòu)。有些機(jī)型還可以更換鏡頭，更換的鏡頭也是兩個(gè)一組，一上一下。雙鏡反光機(jī)的快門位置是在下方的攝影鏡頭中，光圈也一樣。左圖為雙鏡反光機(jī)的解剖示意圖，所謂雙鏡反光是指上方的對(duì)焦鏡后方有一反射鏡，將影像反射至對(duì)焦屏上，早期機(jī)型的對(duì)焦屏為毛玻璃，后來的機(jī)型也有 fresnel 透鏡結(jié)構(gòu)，看起來不會(huì)邊緣變暗，不過此類對(duì)焦屏上的影像都是左右相反的。在上方則有可折迭的對(duì)焦放大鏡。單鏡反光機(jī)(Single Lens Ref

8、lect)單鏡反光機(jī)也常稱為單眼相機(jī)，左圖是一臺(tái)現(xiàn)代的數(shù)位單眼相機(jī)，與以前的單眼相機(jī)相比，其實(shí)只是感光介質(zhì)的不同，以光學(xué)路徑的角度而言，其實(shí)差異不大。最近 Olympus 出品的可以用 LCD 對(duì)焦屏來對(duì)焦的數(shù)字單眼則多了一些零件。單眼反光機(jī)有 135、120 的規(guī)格，Pentax 還出過使用 110 底片的規(guī)格。120 的規(guī)格只是體積大些，基本原理其實(shí)還是與 135 規(guī)格的相當(dāng)類似。左圖是典型的單眼相機(jī)結(jié)構(gòu)，或稱為單眼反光機(jī)，單眼是指只有一個(gè)鏡頭。反光是指可以彈起來的反光鏡，左圖中綠色的部份是對(duì)焦屏，深藍(lán)色的是集光透鏡，集光透鏡其實(shí)相當(dāng)于天文望遠(yuǎn)鏡目鏡上的場透鏡，一般不會(huì)改變透鏡組的焦距（或

9、是改變很少），主要是將光線角度加以調(diào)整。最早期單眼反光機(jī)的觀景窗與光鏡反光機(jī)相似，并沒有現(xiàn)代的五棱鏡，是用一個(gè)放大鏡來對(duì)焦，對(duì)焦時(shí)低頭向下看對(duì)焦屏，該類型稱為腰平觀景器，因?yàn)槿绻挥梅糯箸R對(duì)焦時(shí)，相機(jī)其實(shí)是放在大約腰部附近，腰平觀景器的影像都是左右相反的。后來有了五棱鏡，眼睛可以在五棱鏡后面的觀景窗中看到上下左右與實(shí)際景物一致的影像，此類觀景器稱為眼平觀景器。目前一般的單眼相機(jī)絕大部份都是配備了眼平觀景器。有些職業(yè)用的機(jī)型觀景器則可更換，對(duì)焦屏也可更換，以應(yīng)付不同的專業(yè)需求。單眼反光機(jī)除了早期極少數(shù)的機(jī)型以外，都可以更換鏡頭，所以單眼反光機(jī)比較可以適用于更多的拍攝目的。單眼反光機(jī)的快門在底片（

10、數(shù)字單眼當(dāng)然就是 CCD ）前方，早期與可換鏡頭的連動(dòng)測距相機(jī)類似，是橫走布簾，后來則開發(fā)出縱走的金屬簾幕，配合狹縫的使用，最高可達(dá)相當(dāng) 1/8000 秒的曝光時(shí)間。幾年前，縱走快門的閃燈同步速度有些高級(jí)機(jī)種可達(dá) 1/250 秒。目前則有所謂高速同步的技術(shù)，像 Leica R9 閃燈同步甚至高達(dá) 1/8000 秒。對(duì)焦屏對(duì)焦屏是單眼相機(jī)的重要零件，最早期只有磨沙對(duì)焦，后來發(fā)展出 fresnel 透鏡結(jié)構(gòu)（有時(shí)筆者會(huì)稱它為【環(huán)紋透鏡】）、微棱錐以及裂像對(duì)焦器，使對(duì)焦更容易。裂像對(duì)焦器是過去手動(dòng)對(duì)焦時(shí)代的重要零件，原理為何？其實(shí)裂像對(duì)焦是兩個(gè)類似棱鏡的部份所組成，斜面是相對(duì)的。在左上圖中，當(dāng)一個(gè)綠

11、色物體貼近棱鏡時(shí)，因?yàn)檎凵涠杏X該物體應(yīng)該在紅色物體的位置，也就是對(duì)人眼而言，在紅色物體的位置會(huì)產(chǎn)生虛像；當(dāng)該物體越遠(yuǎn)時(shí)，人眼會(huì)感覺虛像位置越遠(yuǎn)離實(shí)際物體位置。如果將兩個(gè)棱鏡相對(duì)，后方的物體如果離鏡面越遠(yuǎn)則感覺虛像分離的越開。而鏡頭所成的實(shí)像其實(shí)就相當(dāng)于物體，經(jīng)過對(duì)焦屏后如果兩個(gè)虛像位置相合，就表示實(shí)像與棱鏡的距離達(dá)到最小，也就是合焦，當(dāng)然相機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就將合焦的位置調(diào)整到此時(shí)剛好實(shí)像也會(huì)投影到感光面上。至于在裂像對(duì)焦出現(xiàn)前有一種叫做微棱錐的對(duì)焦器，其實(shí)原理類似，結(jié)構(gòu)如左圖，由一堆錐體組成，如果實(shí)像沒有在最接近底面的部份，整個(gè)因?yàn)樘撓駮?huì)經(jīng)過不同方向的斜面造成影像扭曲，合焦時(shí)則影像清楚。其實(shí)這個(gè)現(xiàn)

12、象自己也可以實(shí)驗(yàn)，找個(gè)楔型的壓克力或是玻璃棱鏡，將白紙上畫一條線，當(dāng)棱鏡貼在紙上時(shí)，線的偏移最小，離開紙?jiān)竭h(yuǎn)影像就越會(huì)偏移。此外，目前也有廠商出品四裂的對(duì)焦屏，也就是等于雙裂像。這樣無論直線橫線都可以用來對(duì)焦左圖中為一個(gè)實(shí)際的對(duì)焦屏，下方是對(duì)著反光鏡，面上有 fresnel 透鏡結(jié)構(gòu)，左圖只是示意圖，實(shí)際的 fresnel 透鏡環(huán)紋非常細(xì)微，有百條以上，我沒有算過，也沒找到數(shù)據(jù)。上方則是對(duì)著五棱鏡，焦點(diǎn)面就在上方的表面處，表面有細(xì)微的磨沙顆粒結(jié)構(gòu)。兩個(gè)交錯(cuò)的裂像棱鏡其實(shí)是一半凹入對(duì)焦屏，一半凸出對(duì)焦屏。當(dāng)合焦時(shí)兩個(gè)影像交錯(cuò)最小，看起來是相接合，但是當(dāng)影像不在焦點(diǎn)面上，就會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)交錯(cuò)的棱鏡偏移

13、方向不同而看起來錯(cuò)開。實(shí)際上兩個(gè)棱鏡的斜角并沒有圖中那么夸張，而對(duì)焦環(huán)也要轉(zhuǎn)一些角度才會(huì)顯示出偏移?，F(xiàn)代的對(duì)焦屏有許多新的技術(shù)，左圖中 A 是比較早期的對(duì)焦屏，上方的磨沙其實(shí)是不規(guī)則的，下方的環(huán)紋透鏡也沒那么完美，但是現(xiàn)在的新技術(shù)，可以將下方的環(huán)紋透鏡每個(gè)斜面做的更為整齊也就更接近透鏡的曲度，聚光的效果也越好，如 B 圖。對(duì)焦屏上方的磨沙，目前也有改進(jìn)，據(jù)說使用了雷射切割的技術(shù)將表面作成類似許多透鏡的形狀，如圖 C。整個(gè)現(xiàn)代的對(duì)焦屏如圖 B，上方的磨沙變成了許多微透鏡，下方的環(huán)紋透鏡也更接近透鏡的曲度，整體更亮，更容易對(duì)焦。 自動(dòng)對(duì)焦的單眼相機(jī)都使用全磨沙的對(duì)焦屏，但是有些朋友希望用手動(dòng)鏡，因

14、此有些朋友將對(duì)焦屏 DIY 更換成裂像對(duì)焦屏，但是因?yàn)閷?duì)焦屏的透光度不同，或者說看起來亮度不同，因而造成了更換對(duì)焦屏之后曝光不正確的問題，此時(shí)就需要調(diào)整曝光補(bǔ)償值了。小型數(shù)字相機(jī)一般小型數(shù)字相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是比較簡單的，只有觀景窗以及拍攝用的鏡頭，對(duì)焦系統(tǒng)則由電子訊號(hào)偵檢器系統(tǒng)代勞。以拍攝畫面的所見即所得方面來說比較類似單眼，但如果使用觀景窗則又與連動(dòng)測距相機(jī)的感覺類似。 大型蛇腹機(jī)大型蛇腹機(jī)體積大，也較重，使用時(shí)最好使用腳架，一般只有職業(yè)用家才會(huì)使用，但是大型的蛇腹機(jī)也有許多無法取代的優(yōu)點(diǎn)。大型蛇腹機(jī)有許多不同機(jī)型，不同的大小可以使用 4 × 5、8 × 10 等等的大型底

15、片，使用大型底片在輸出同樣大小的畫面時(shí)可以獲得分辨率更好的畫質(zhì)，但這只是好處之一，最大的好處是蛇腹機(jī)可以做出一些小型相機(jī)做不到的調(diào)整動(dòng)作。由左方的示意圖看來，蛇腹機(jī)前方有鏡頭固定板，此部份可以上下擺頭、左右擺頭、上下升降、左右平移，當(dāng)然也可前后對(duì)焦。后方的底片固定板也可以上下擺頭、左右擺頭、上下升降、左右平移等等。幾乎可以說是能夠【隨意扭轉(zhuǎn)】，當(dāng)然有些廉價(jià)的簡單機(jī)型有些功能也許會(huì)被省略。以下就介紹兩個(gè)蛇腹機(jī)的絕招，而那些復(fù)雜的動(dòng)作，其實(shí)基本原理也不過是下面兩種重要功能的組合罷了。移軸大家應(yīng)該有使用超廣角鏡頭拍大樓的經(jīng)驗(yàn)，常常拍出來的影像是上小下大，看起來像要倒下去一樣，因?yàn)檠鼋菚r(shí)大樓的頂部與底

16、部其實(shí)與鏡頭光軸垂直面的距離是不一樣的，如左上圖。而物距不同則像的大小也會(huì)不同，因此會(huì)產(chǎn)生上小下大的變形。移軸是指前后兩片固定板平行移動(dòng)，如左下圖，不管是左右還是上下，反正兩片板仍然是平行的，鏡頭光軸仍然垂直底片。此種調(diào)整在拍攝建筑物時(shí)特別有用，使用移軸功能時(shí)光軸與大樓垂直，因此大樓的上下與鏡頭光軸垂直面的距離是相同的，在底片上的影像也是一樣大小，所以看起來大樓仍然是直的。移軸鏡除了拍建筑之外，有時(shí)也可以拍鏡子，一般拍鏡子會(huì)把自己拍進(jìn)去，但用移軸功能就可以避免，但是拍鏡子要配合一些其他的條件，例如鏡子邊緣的形狀、打光等等，否則會(huì)看起來不自然。移軸雖然是蛇腹機(jī)的好處之一，但是 135 單眼相機(jī)也

17、有些廠家出產(chǎn)移軸鏡，但是價(jià)格昂貴，而且移軸的距離無法像蛇腹機(jī)那樣大。目前而言，其實(shí)用數(shù)字相機(jī)時(shí)，只要變形量不大的話都可以在計(jì)算機(jī)中校正回來，已經(jīng)不那么需要移軸鏡的功能。搖擺將前鏡頭固定板或是后底片固定板搖擺調(diào)整是另一個(gè)蛇腹機(jī)的重要功能。先看左上圖，一般如果拍攝的景物，遠(yuǎn)近不一時(shí)，例如桌子前后放了許多小擺飾，很難將景深控制在遠(yuǎn)近都清楚，往往最近或者最遠(yuǎn)的會(huì)超出景深之外。但是如左下圖，如果前鏡板以及后底片板都可以搖擺調(diào)整，就可以調(diào)整到遠(yuǎn)近物體都在成像平面附近，這樣就可以增大景深。反之，如果故意將影像調(diào)到不在感光面，當(dāng)然也可以對(duì)某些部位產(chǎn)生更模糊的效果。此外有時(shí)要改變實(shí)際物體的相對(duì)比例也可以使用此一

18、功能，將想要放大的影像部位調(diào)整到遠(yuǎn)離鏡頭，就可以將該部位影像變大，但是此時(shí)要使用小光圈，否則會(huì)失焦。其實(shí)蛇腹機(jī)扭來扭去，基本上也只是調(diào)整感光面與鏡頭垂直面的相對(duì)關(guān)系。如果只需要上下或左右扭動(dòng)，只需要單軸調(diào)整，如果是斜向的扭動(dòng)，才需要兩軸一起扭動(dòng)。有些廠家也生產(chǎn)具有此一功能的 135 相機(jī)鏡頭，但是當(dāng)然價(jià)格也是很貴，而且當(dāng)然調(diào)整的幅度也沒有蛇腹機(jī)來的大，此外也只能調(diào)整鏡頭部份，底片部份也不能調(diào)。不過有些 120 的專業(yè)型單眼相機(jī)也將蛇腹設(shè)計(jì)成有類似的功能，但都沒有真正蛇腹機(jī)的調(diào)整幅度來的大。相機(jī)快門動(dòng)作鏡間快門早期多半為鏡間快門，此處的動(dòng)畫是以一個(gè)有三片葉片的鏡間快門為例，鏡間快門是由幾片葉片組成，早期有三片，后期的多半為五片，但是一般的簡單型相機(jī)或是所謂的傻瓜機(jī)甚至兩片也是常見。鏡間快門是在所有葉片全開時(shí)引發(fā)閃燈，所以鏡間快門可以做到任何快門速度都閃燈同步。一般不能換鏡頭的相機(jī)多為鏡間快門。簾幕快門相機(jī)演變到可以換鏡頭的機(jī)型以后，因?yàn)橐獙㈢R頭在拍攝期間取下，底片會(huì)曝光，因此鏡間快門已經(jīng)不符所需，演變出簾幕式的快門，簾幕位于底片前，這樣將鏡頭取下時(shí)底片也不會(huì)曝光。此時(shí)鏡頭因?yàn)樯倭丝扉T，結(jié)構(gòu)就簡化了。簾幕快門的運(yùn)作如左圖，前簾先打開，間隔一段時(shí)間之后后簾再將底片遮起，而間隔的時(shí)間則為快門速度。如果是可換鏡頭的連動(dòng)測距相機(jī)，快門的動(dòng)作就只有與簾幕有關(guān)；而如果是單眼反光機(jī)則