慢性肾衰竭教案讲义:单反相机工作原理

作者：Tom Harris
毫无疑问，摄影术是史上最重要的发明之一，它真正改变了人们认知世界的方式。现在，我们可以“看到”各种各样在空间和时间上距离我们很遥远的事物。有了摄影术，我们就能捕捉美好瞬间，留待未来慢慢追忆。

全手动单镜头反光照相机


单反相机工作原理


摄影的基本技术非常简单。胶片照相机包括三个基本元件：光学元件（镜头）、化学元件（胶片）和机械元件（照相机机身）。在后文中我们将看到，摄影的唯一诀窍就是校准并组合这些元件，令其记录清晰图像。
摄影有很多种不同方法。本文将介绍手动单镜头反光 (single-lens-reflex, SLR) 照相机。使用这种照相机时，摄影者看到的图像与曝光至胶片的图像完全一样，并只需转动刻盘和按下按钮就能调节一切。由于拍照时不需要通电，因此手动单反照相机充分展示了摄影的基本过程。
这种照相机的光学元件是镜头。简单地说，镜头就是一块有弧度的玻璃或塑料。其作用是吸收物体反射的光束并改变光束方向，让它们会聚形成实像——与镜头前的景象完全一样的图像。
但玻璃如何能做到这一点呢？过程其实非常简单。光从一种媒介传播至另一种媒介时，速度会改变。而光在空气中的传播速度比在玻璃中快，因此镜头会减慢光速。
当光波从某个角度射入玻璃时，一部分光波比另一部分提前抵达玻璃，因此会先开始减速。就像以某个角度把购物车从人行道推入草地。购物车的右轮先碰到草地并减速，而此时左轮还在人行道上。由于左轮的移动速度暂时快于右轮，因此购物车进入草地时会右拐。

光的原理也一样——光从某个角度射入玻璃时，会向一个方向偏转。当光射出玻璃时，部分光波会先于其他部分进入空气并加速，于是再次发生偏转。标准会聚透镜（或凸透镜）玻璃有一面或两面向外弯曲。这表示穿过透镜的光线在射入时会向透镜中心偏转。而对于双凸透镜（如放大镜）来说，光线在射入和射出时都会偏转。

这实际上颠倒了物体发出光线的路径。光源（如蜡烛）会向各个方向发光。所有光线都始于同一点——蜡烛的火焰，然后不断发散。会聚透镜吸收这些光线并改变其方向，让它们重新会聚到一点，在光线会聚的地方，就能看到蜡烛的实像。后面几节将介绍影响实像形成的一些可变因素。
我们已经知道实像是由穿过凸透镜的光线形成的。而实像的性质会根据光穿过透镜的方式（即光线路径）发生改变。光线路径又取决于两大因素：
光束射入透镜的角度 透镜的结构
光的入射角随物体与透镜之间的距离变化而变化，如下图所示。铅笔离透镜越近，铅笔尖反射的光束射入透镜的角度就越小；铅笔离透镜越远，入射角就越大。但总的来说，不管光束怎样射入，透镜都只会将其偏转到某个总角度。结果就是，以越小角度射入的光线会以越大角度射出，反之亦然。透镜上任一点的总“偏转角”都保持不变。

正如您所见，与远处发出的光束相比，近处发出的光束射出透镜后的会聚点更远。换句话说，近处物体形成的实像比远处物体的实像离透镜更远。
您可以通过简单实验来观察这一现象。在黑暗中点一支蜡烛，在蜡烛和墙之间放一面放大镜。墙上就会出现蜡烛倒立的图像。如果蜡烛的实像不是直接落在墙上，就会显得有些模糊，因为某个特定点发出的光束未能恰好会聚于此。让放大镜靠近或远离蜡烛，就可以让图像聚焦。

当您转动相机镜头聚焦时，做的正是同一件事——让镜头靠近或远离胶片表面。通过转动镜头，就能调准物体的聚焦实像，令其直接落在胶片表面。
现在您已经知道，无论光束的入射角如何，透镜的任一点都会将其偏转至某个总角度。这个总“偏转角”是由透镜结构决定的。
镜头中的透镜照相机镜头其实是由多个透镜组合而成的。单个会聚透镜也能在胶片上形成实像，但大量像差会导致实像变形。
变形的主要原因之一就是，不同颜色的光穿过镜头时偏转程度不同。事实上，这种色像差会导致图像的颜色排列错误。
为此，照相机要用多个不同材料的透镜进行弥补。其中每个透镜对颜色的处理都不同，当它们以特定方式组合到一起时，就会重新排列各种颜色。
在变焦镜头中，不同的镜头元件可以前后移动。通过改变特定透镜之间的距离，就能调节整个镜头的放大率——焦距。
形状更圆（中心更凸出）的镜头，其偏转角就更大。基本说来，镜头向外凸出，就会增加镜头上各点之间的距离。这会延长快速光波与慢速光波的传播时间差，从而增大光的偏转角。
偏转角度增加会产生一个明显效果：某一点发出的光束会在离镜头更近的地方会聚。而在形状更扁平的镜头中，光束的偏转角度较小，因此会在离镜头较远的地方会聚。换言之，扁平镜头形成的聚焦实像离镜头更远。
增加镜头和实像之间的距离实际上就是增大实像的整体尺寸。想一想，就会发现这非常合理。以放映机为例：放映机离屏幕越远，图像就越大。简单地说，光束在传播至屏幕的途中会持续扩散。
照相机的基本原理与此相同。随着镜头和实像之间的距离增加，光束进一步扩散，形成更大的实像。但胶片尺寸是固定的。当您使用非常扁平的镜头时，会产生很大的实像，但曝光至胶片的只有其中间部分。通常来说，镜头都会瞄准画面的中间，并放大您面前的一小部分景象。镜头越圆，形成的实像就越小，因此胶片表面感应的景象区域就越大（放大率降低）。
专业照相机可供安装不同的镜头，因此能以不同的放大率观看景象。镜头的放大率用焦距表示。照相机的焦距定义为镜头和远距离物体（如月亮）的实像之间的距离。焦距越长，图像的放大率就越高。

标准的50毫米镜头缩放图像的程度都不明显。
不同的镜头适用于不同的场景。若想拍摄山脉，就要用焦距特别长的长焦镜头。这种镜头可供您瞄准远处的特定元素，从而构建更紧凑的画面。如果要拍特写镜头，可能就要用广角镜头。这种镜头焦距较短，因此会缩小您面前的景象。即便物体距离照相机仅30多厘米，其整个外观都会曝光至胶片。标准50毫米照相机镜头缩放图像的效果并不明显，因此非常适合拍摄不近不远的物体。
正确拍摄照片

作者：Tom Harris
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名称的含义实际上，“摄影（photography）”这一术语相当准确地描述了照相过程。1839年，19世纪的天文学家和最早的摄影家之一约翰•赫雪尔爵士（Sir John Herschel）提出了摄影一词，该词由两个希腊单词组成——表示光的photos和表示写或画的graphein。
“照相机”一词则来自暗箱，在拉丁语中是“暗室”的意思。事实上，暗箱早在摄影诞生数百年前就发明了。传统暗箱就是一间暗室，光线通过透镜或墙上的小洞射入。穿过小洞的光线在对面墙上形成倒立的实像。这种效果颇受艺术家、科学家和充满好奇心的观众喜爱。
传统照相机的化学元件是胶片。当胶片向实像曝光时，其实就在对光的图案进行化学记录。
记录光线的是许多微小的感光粒子，这些粒子分布在塑料条上的化学悬浮液里。粒子曝光后，就会发生化学反应。
胶卷照完后，就要进行冲洗——将胶片置于其他化学物中，这些化学物会与感光粒子起反应。在黑白胶片上，显影化学物会让曝了光的粒子变黑。于是亮的区域变黑，黑的区域变亮，这样就形成了底片，然后在打印时将其转换成正像。
彩色胶片有三层不同的感光物质，依次对应红色、绿色和蓝色。冲洗胶片时，这三层都置于为胶片各层染色的化学物中。叠加所有三层的颜色信息，便能得到全色底片。
有关整个过程的全面讲述，请参阅摄影胶卷的基础知识。
至此，我们已经介绍了摄影的基本原理——用会聚透镜形成实像，并将这个实像的光图记录到感光材料层上。从概念上说，这就是拍照的全过程。但要捕捉清晰的图像，还必须严格控制每一个环节。
如果把一张胶片放在地上，并用会聚透镜将实像聚焦至胶片，显然不可能获得有用的照片。一旦暴露在外，胶片上的每个粒子都会彻底曝光。由于没有任何相对的非曝光区域，因此不可能形成照片。
为了捕捉图像，必须在拍照前让胶片一直处于完全黑暗的状态。当您想记录图像时，再让光进入。就最基本的层面而言，照相机机身就是一个密封盒，盒子里的快门可以在镜头和胶片之间开闭。事实上，照相机 (camera) 一词是暗箱 (camera obscura) 的缩写，在拉丁语中意指“暗室”。
要正确拍摄照片，就必须精确控制射入胶片的光线量。如果射入的光线太多，就会有过多粒子起反应，照片看上去仿佛褪色了。但如果碰触胶片的光线不够，起反应的粒子又太少，照片就会很暗。 那该怎样调节曝光率呢？有两大因素必须考虑：
穿过镜头的光线数量 胶片曝光的时间
要增加或减少穿过镜头的光线量，必须改变光圈（镜头开口）的大小。为此，可以使用虹彩光圈，它是一系列可以彼此覆盖着向内折叠或向外伸展的重叠金属板。其实这种机制的工作原理就和人眼的虹膜一样——以圆形张开或闭合，从而缩小或扩大镜头的直径。镜头越小，捕捉的光就越少；镜头越大，捕捉的光也越多。

当虹彩光圈中的金属板彼此覆盖着向内折叠时，会缩小光圈；向外伸展时则扩大光圈。
曝光时间的长短取决于快门速度。大多数单反照相机都使用焦平面快门。这种机制非常简单，主要包括镜头和胶片之间的两块“帷幕”。在拍照之前，第一帷幕关闭，以防止胶片曝光。拍照时，这块帷幕滑开。一定时间之后，第二帷幕从另一侧滑入，结束曝光。
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按下照相机的快门按钮时，第一帷幕将滑开，胶片随即曝光。一定时间之后，第二个遮光器滑闭，结束曝光。这一时间延迟由照相机的快门速度旋钮控制。
这个简单动作由许多复杂的齿轮、开关和弹簧控制，就如同手表机芯。当您按下快门按钮，就会松开一个杠杆，让几个齿轮开始运转。您可以转动快门速度旋钮，旋紧或旋松一些弹簧。这样可以调节齿轮机制，延长或缩短第一帷幕打开和第二帷幕关闭的时间延迟。如果把旋钮设置到非常缓慢的快门速度，快门就会打开很长时间。如果把旋钮设置到很快的速度，第二帷幕就会紧随第一帷幕闭合，因而每次都只有一小段胶片曝光。
曝光的理想程度还取决于胶片上感光粒子的大小。大粒子比小粒子更能吸收可见光子。粒子大小用胶片感光度表示，感光度就印在胶卷桶上。不同的胶片感光度适合不同类型的摄影；例如，100 ISO胶片适合在明亮的阳光下进行摄影时使用，而1600胶片只适合在相对微弱的光线条件下进行摄影。

在手动SLR照相机中，可以看到众多复杂的齿轮和弹簧。点击每张图片，查看高清晰度特写镜头。
正如您所见，正确曝光涉及许多问题，您必须调和胶片感光度、光圈大小和快门速度，使其适合拍照时的光线强度。手动单反照相机有内置曝光表可协助调整。曝光表的主要元件是一组能感应光能的半导体感光器。这些感光器把光能转换成电能，而曝光表系统则根据胶片感光度和快门速度来解析电能。
接下来，我们看看单反照相机如何在拍照前将实像投射到取景器，又如何在按下快门时将其投射至胶片。
SLR照相机与傻瓜照相机
市面上有两种消费级胶片照相机——单反照相机和傻瓜照相机。两种相机的主要区别在于摄影者看到景象的方式。傻瓜照相机的取景器是穿过机身的一个简单窗口。摄影者看不到照相机镜头形成的实像，只能大致看到景象。
而在单反照相机中，摄影者可以看到即将呈现在胶片上的真正实像。取下单反照相机的镜头看看内部，就能理解其工作原理。相机的快门和镜头之间有一面斜镜，斜镜上方有一块半透明玻璃和棱镜。这种布局的工作原理与潜望镜类似——实像从下面的镜子反射到半透明玻璃上，而半透明玻璃则充当银幕。棱镜的作用是翻转屏幕上的图像，让其重新正立，并将它重新投射至取景器窗口。

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当您按下快门按钮时，照相机迅速移开镜子，图像就投射至曝光胶片。由于镜子与快门定时器系统相连，因此其开放时间与快门处于打开状态的时间相同。这也是拍照时取景器突然变黑的原因。

SLR照相机里的镜子把实像投射至取景器。按下快门按钮时，镜子向上翻转，从而让实像投射至胶片。
这种照相机里安装了镜子和半透明屏幕，因此可以按胶片上显示的图像精确呈现实像。这种设计的优点是可以调节焦距和取景，从而拍出您真正想要的照片。正因如此，专业摄影师通常都用单反照相机。
目前，大多数单反照相机都能选择手动控制和自动控制，而大多数傻瓜照相机都是全自动的。就工作原理而言，自动照相机与手动照相机非常相似，唯一的差别就是所有控制操作均由中央微处理器代替人完成。中央微处理器从自动对焦系统和曝光表接收信息，然后激活几个小发动机，让它们调节镜头并开闭光圈。现代照相机的中央微处理器已经变为相当先进的电脑系统。

自动傻瓜照相机用电路板和电机取代了齿轮和弹簧。
下一节将介绍另一种截然不同的照相机——没有复杂的机械、没有镜头，甚至很少有动件。
自制照相机

作者：Tom Harris
我们已通过前文了解到，即便最基本的全手动单反照相机，也是一台错综复杂的机器。但复杂并非照相机的固有属性——实际上，照相机的基本元件非常简单，只需一些廉价部件就能自制一台。
最简单的自制照相机不用镜头生成实像，而是通过小洞聚光。针孔照相机制作简单、使用有趣，唯一的困难是必须自己冲洗胶片。
针孔照相机其实就是个盒子，盒子一侧有一个小洞，对面是胶片或者照相纸。只要盒子其他地方都“不透光”，穿过针孔的光线就会在胶片上形成实像。其中的科学原理非常简单。
如果在暗室里照亮电筒，光线穿过一块宽纸板上的小洞，就会在对面墙上形成光点。移动电筒，光点也会随之移动，因为电筒发出的光束是以直线穿过小洞的。
在大的视觉景象中，每个特定的可视点都相当于一只电筒。光在物体的每一点发生反射，并朝各个方向传播。但针孔只让景象每一点发出的细小光束射入。这些光束以直线传播，因此景象底部的光束会抵达胶片顶部，反之亦然。这样一来，就在与针孔相对的盒子一侧形成景象的倒像。由于洞非常小，所以需要相当长的曝光时间，才能让足够的光进入。
制作这种照相机的方法很多，一些热衷于此的人甚至用旧冰箱和旧汽车做不透光的盒子。最流行的做法之一是用普通的圆柱形燕麦盒、咖啡罐或类似容器。而带有可拆卸塑料盖的纸板容器用起来最简便。
您可以按下列几个简单步骤制作这种照相机：
首先，将盖子里外涂黑，以确保盒子不透光。一定要用黑色平光涂料，不要用反光能力较强的反光涂料。 在小罐底部（即盒子不可拆卸的一侧）的中心挖一个火柴盒大小的小洞 剪一块厚实的铝箔或黑色重质纸，尺寸约为小罐底部小洞的两倍。 取一根10号缝纫针，在铝箔中间轻轻钻一个洞。只能把针插进去一半，否则洞会太大。为了达到最佳效果，不妨把铝箔夹在两张硬纸卡中间，旋转缝纫针穿过去。 把铝箔粘在小罐底部的洞上，让针孔处于中心位置。用黑色胶带把铝箔粘牢，确保光只从针孔穿过。 制作遮光器时，只需要一张基本覆盖小罐底部的黑色重质纸。将纸的一条边牢牢粘在小罐底部的一侧，用作中央针孔的封盖。将封盖的另一条边粘合到针孔另一侧，在拍照前让封盖一直关闭。 要给照相机装片，只需将任何一种胶片或照相纸放到胶卷桶盖内侧。当然，要让胶片生效，必须在完全黑暗的环境中装片和冲洗。使用这种照相机，就不能随便将胶片交给照相馆，而必须亲自冲洗或找人帮忙。
想要选择正确的相机设计、胶片类型和曝光时间，通常需要反复试验和改错。但任何一位针孔照相机爱好者都会告诉您，这种实验过程正是自制照相机最有趣的地方。要了解有关针孔摄影的更多信息并查看一些优秀的相机产品，请查看下一页列出的网站。
在整个摄影史中，出现了数百种不同的照相机系统。但令人惊奇的是，所有这些设计——从最简单的自制盒式照相机到最新的数码相机——都包含相同的基本元件：生成实像的镜头系统、记录实像的感光器，以及控制实像向感光器曝光的机械系统。只需稍加研究，您就会发现这些就是摄影所需的所有主要部件！
有关更多信息，请查看下一页的链接。
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