照相机的光学原理
照相机的工作过程，概略地说是应用光学成象原理，通过照相镜头将被摄物体成象在感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成象原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成象原理。
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）的著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。...全部
照相机的工作过程，概略地说是应用光学成象原理，通过照相镜头将被摄物体成象在感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成象原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成象原理。
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）的著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，见图1-2-1。
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，小孔成象等。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，在成象面上成象。
(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。如图1-2-2所示，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，如图1-2-3（a）所示，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，如图1-2-3（b）所示。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，在照相术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。象差对成象质量的影响照相镜头的等级标准
照相机的基本组成部分
我们可以用一个简单的示意图来表示照相机的基本结构（图1－1－1）。
一、镜头
图中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
它既是照相机的暗箱，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。
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，这种成象的差异就称为镜头（或成象光学系统）的象差。
象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象差，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，因此只要象差的数值小于一定的限度，我们就认为该系统的象差得到了矫正。
下面我们简单扼要介绍照相镜头的象差分类、形成和矫正方法。
透镜的象差可以分成两大类：单色象差及色象差。
一、单色象差
如果镜头只对单色光成象，那么共有五种性质不同的象差．它们是影响成象清晰度的球差、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象后，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，这种象差称为球差，如图1-2-10所示。
球差的大小与物点位置和成象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、模糊。
这种轴外光束引起的象差称为彗差，如图1-2-11所示。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象的影响。
摄影上一般将球差和彗差所引起的模糊现象称为光晕。在绝大多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。由于轴外象差的存在，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象缺陷，此时我们称等晕成象。
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，以提高成象质量。
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象缺陷的一种象差，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，与这种现象相应的象差，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。
如图l-2-12所示。
由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，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象在同一象平面内，而在一以光轴为对称的弯曲表面上，这种成象缺陷称为场曲。
场曲也是与孔径无关的一种象差。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'，如图1-2-13所示。
用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；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糊，无法在平直的象平面上获得中心与四周都清晰的象。
因此在某些专用照相机中，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，造成象的失真，如图l-2-14所示。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。
照相机标准镜头常用的光学结构形式
本文简单扼要介绍一般照相机标准镜头经常采用的光学结构形式。
一、单片或双胶合透镜构成的简易镜头
这种简易型镜头由于只采用单片或双胶合透镜构成，因此其象差不可能完善校正，孔径也很小，只能在强光下使用。
但由于此类镜头价格特别低廉，特别是近年来已普遍使用光学塑料（PMMA）替代光学玻璃，使其制造成本更为降低。因此，目前市场上的玩具相机、一次性相机大多使用这种简易镜头。
二、三片三组柯克［Cooke］型镜头
早期由三片分离透镜组成的柯克型镜头，如图1-2-17(a)所示，其光阑位于透镜之间，这种光学结构型式是镜头象差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足一般普及型相机的要求（镜头等级为2～3级），且价格比较低。
近几年来为了适应自动、袖珍照相机的发展，把通常三片型柯克镜头的光阑由镜头中间移至镜后，使透镜之间密接紧靠，见图1-2-17(b)。由于光阑后移造成的光焦度失对称，使系统存在有较大的轴外球差，不得而已只能采取拦光的办法来保证象差，因此相对来说边缘照度较低，在设计及使用时都需要统筹兼顾。
为进一步降低成本，目前市场上的水货低档照相机大多用光学塑料透镜替代柯克型三片物镜中的某一片（大多为中间一片），此时其相对孔径只能做到1/4。5左右。
三、天塞［Tessar］型三组四片照相镜头
由柯克型发展起来的天塞型镜头见图1-2-18，它1902年起源于德国的蔡司光学工厂，最早是由著名光学专家鲁道夫（Rudolof）设计的。
它用双胶合透镜组代替了柯克型镜头的第三片，所以镜头的相对孔径可以大大提高，在中等视场50°～60°情况下其相对孔径可做到1/3。5～1/2。8。它是目前国内中档或普及型照相机应用得最广的镜头结构形式。
光阑位于第二、第三组之间，构成非对称结构型的正光焦度摄影物镜。引入的胶合透镜组使物镜的象散和轴外均得到了充分改善，因此特别适合于风景摄影。
。收起
