摄影的基本光学知识和相机透镜及成像原理

-1-第三章摄影的基本光学知识和相机透镜及成象原理中国俗话说的好，磨刀不误砍柴工。对于我们拍摄照片来说，要能加快拍得好的照片，就要先“磨刀”，就是说，如果你是第一次使用你过去没用过的数码相机，那先要耐心的从头至尾的一步步的对着你的相机使用说明书了解和掌握相机的操作方法。然后再学习和掌握有关的照象理论知识，只有首先这样办，摄影者才能更快更好的拍出理想的照片，也就是说，首先这样办，不仅不会耽误你的照象工作速度，相反会使你少走弯路提高照象工作的速度及提高照象质量，能主动的自由的遨游摄影自然王国，否则由于你不得照象要领而会陷于被动，忙乱，耽误了大好的拍照时机甚至拍出不理想的照片。第一节照象光学基本知识光与照象的关系是密切不可分割的关系，摄影艺术在很大程度上是用光艺术。所以摄影者要拍出好照片，就应了解光的基本知识。DC通过被摄景物所发出的光的作用而把被摄物体的影像记录在DC的存储器上。借助光的作用还能把肉眼难以看见的一些细微特征或者看不清的痕迹等拍照下来。因此，没有光，感光物质（CCD，底片）就不起变化，就不能成像，光对感光物质所起的照射效果不同，就会显示不同效果的图象。因而，善于运用光，控制光，是打造照片的艺术性，更好的表现被摄景物的特征，使照片具有强感染力的重要手法。要善于运用光，控制光，就要对光的基本知识有所了解。首先说，光是电磁波，既然是电磁波，它的传播就具有波动性而且向四面八方传播。光又是由极小的质点光子组成的，因此，它的传播又具有粒子性。光的粒子从发光体上辐射出来，并以极快的速度（光在真空中的运行速度为30万公里／秒）呈直线性向四面八方传播。光的两向性现已被人们证实，在解释光的干涉，绕射和偏振等现象时，需用波动学说。在说明光的发射和吸收时，要用微粒学说。另外，光波如同水波一样，是一种横波，它的特点是波的振动方向垂直于波的传播方向。光波的波长与频率和速度的关系为：V=λ×f式中v是光速，λ是光的波长，f是光的振动频率。第二，光是电磁波，而且是电磁波的一部分。我们通常所说的光是电磁波中的可见部分电磁波（即我们眼睛所能感受到的），即光波。由于光波波长很小，所以为方便起见，一般用毫微（mμ）米单位度量。可见光的波长范围是380－780mμ米，在整个电磁波中占很小一部分。见下图太阳光通过棱镜的折射后，折射出一条红橙黄绿青蓝紫的光带，这说明太阳光是由各种不同的颜色的色光所组成。各种色光的波长如下：红760-620毫微米橙620-590毫微米黄590-530毫微米绿530-500毫微米青500-470毫微米蓝470-430毫微米紫430-380毫微米第三，光是直线传播的，几何光学把光作了点和线的假设。以发光体作为发光点，发出的光是直线形。从发光体发出的光，向四面八方直线传播，每一条光线的一端都连在发光点上，形成无限光束。光的直线传播现象在日常生活中随处可见。如物体被照射而形成背影，小园孔透光，而其它光线被挡等。-2-第四，每一条光线的传播是独立的，在传播中不会受其它光线的照射而改变其原有状态和传播方向，照样独立传播，就象其它光线不存在一样。正因为光的传播的独立性，所以在照相中，被照景物上的各点发出的光都能互不影响的进入照相机镜头内，使被拍景物能够保持原样而在相机感光器件或底片上成象。第五，光能形成反射光，折射光和偏振光当光在其运行方向上照射到另一种介质的界面上时，就会改变其原来的入射方向形成反射光。入射角等于反射角。物体表面可分为镜面，光滑面和粗糙面三种。干净玻璃，物体的镀镍或镀银面是镜面。油漆面，搪瓷面属光滑曲面。海绵，布匹，纺织品，云层等属粗糙面。粗糙面能造成光线的漫反射现象。使照射的景物细节不清晰。当光从一个透明介质透过另一个具有不同密度的透明介质时。光线的运行方向也会改变。投入到另一介质的光线会偏离原来的方向而形成折射光，但其运行方向仍然是直线。入射角与折射角的正弦之比等于常数。在一定的条件下，可以将自然光分离出偏振光。光的偏振也是一种光的波动现象。因为光是横波，所以能产生偏振现象。如果某一个光波光线只在一个方向振动，这样的光波就称为偏振光。太阳，电灯所发出的光称为自然光，具有各种振动方向，如下图所示：如果只有一个单反向的振动光线，则称为偏振光。如下图：如果某一个方向具有较大的振动而其它方向具有较小的振动，则称为部分偏振光。如下图：第六，偏振光的产生和作用要取得偏振光，需使用偏振片。偏振片内部有一定间隔而且平行排列的晶丝所形成的平行栅缝，这些平行栅缝使具有只与栅缝排列方向相同的振动方向的光波能够透过偏振片，而其它振动方向的光线则被堵挡，于是在偏振片的后面就出现了一个振动方向与栅缝排列方向相同的单一振动方向的光波，这就是偏振光，见下图：电灯自然光具有无数条栅缝的偏振光偏振光偏振光有自然偏振光（主要是光线的反射线或折射线而产生的偏振光线）和人造偏振光。人造偏振光就是在相机镜头上罩上一个偏振镜，使得被拍景物上的只有一种振动方向的反射光线能够透过镜头，而被拍摄景物上的其它方向杂乱无章的反射光线不能透过镜头，这样就会获得纹理清晰、真切的图象，还可限制图象的亮度，使天空或背景变暗。使用偏振片照相，这在公-3-安指纹拍照或具有天空白云的风光照中常采用，这样拍得的图象使指纹清晰可见，天空更蓝，白云更洁白。第七，光与色彩的关系在我们的日常生活中所以能看到各种物体并能区分它们的形状和颜色，就是因为光对它们的照射而产生的。如果在没有光线照射的黑暗环境里，我们就只能看到乌黑一片，看不见各种物体和他们的颜色。因此可以说，有光才有色。平常我们看到的白光是由七色光（红橙黄绿青蓝紫）组成的混合光。但专从照相这方面来讲，为了实际应用，简化和方便，只取了三种颜色作为组成不同颜色的基色。就是说，将波长从760－430mμ的可见光谱分为红绿蓝三种颜色，即我们通常所称的R（red）,G(green)，B(blue)三色。红绿蓝三色光又称为三原色。白色光则由这三种原色光组成。三原色组合应用是彩色照象的基础。人眼看到的颜色尽管各种各样，可它们都是由红绿蓝这三原色光组成。两种等量混合的原色光它们的组合有如下规律：红+绿＝黄绿＋蓝＝青蓝＋红＝品红红＋蓝＋绿＝白X+X+X=黑发光原能发出不同颜色的混合光－白光，而不发光的自然界的物体为什么会有多种多样的不同颜色呢？这是因为当发光体（如阳光，灯光）发出的混合颜色的光照射到不发光的物体上时，有的色光被物体吸收的多些，因而被反射的少些。而有的被吸收的少些，则被反射的多些。这些反射出来的多少不同的反射光所混和成的颜色就构成了这一物体所具有的颜色。我们人的眼睛的视网膜神经细胞就感受了这个颜色。另外，在不同的光源照射下，同一物体所呈现的颜色也有不同变化。例如，在白光下呈现绿色的布，在暗室的红灯下看，却为黑色。因绿色物体只对绿色光反射，其它都吸收，因此在红光下无绿光可反射，而对其它都吸收，所以就呈现黑色。再如，在白光下呈现白色的纸，由于它能反射所有的照射它的颜色光，所以在白光下看它是白色，在红光下是红色，在绿光下是绿色。如果同时有红蓝光照射它，就显品红色。另外，被拍摄物体旁边景物有什么颜色，就容易受这种颜色影响而偏这种颜色。如偏白色的物品在绿树旁或红墙旁它的颜色就偏绿或偏红。人穿红衣服时，皮肤偏白的人脸就较多反射红色光，显得红光满面。所以在照相时要考虑光源对被摄物体表面颜色的影响及光线相互反射效应。在上一章讲述相机的白平衡时，就谈到这个问题。第八，色彩三要素由于自然界色彩样式很丰富，不能一一划分，我们可以依据它们的共同特征分为三个要素来识别色彩。⑴色别（色相）色别就是指某一物体具有什么颜色（如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等），这个颜色有别于其它物体的颜色。⑵亮度（光度）表明某种颜色的亮暗差别。如绿色中有明绿，暗绿，这就有颜色深浅的差别。对拍摄的景物来说，如果明暗很强而色别很弱，则拍得的景物不真实。反之，如果色别很强，而明暗很弱，则没有立体感和层次感。在同样强度的光照条件下，不同颜色的亮度不一样。如黄色显得较亮，红和绿中等，而蓝和紫显得较暗。⑶饱和度表示被拍得的景物的色彩的鲜艳程度，色觉强弱，颜色中所含色彩成分的多少。我们可以看到，在直射光的照射下，物体的颜色要鲜艳些，就是说饱和度高，而在散射光下，饱和度就差。所以阴天时拍摄的彩色片，景物颜色大部分为灰暗的，就是这个道理。第二节光学透镜和成象原理一．透镜的基本知识-4-1，透镜的结构透镜是由玻璃体或塑料体球面组成的中间与边沿厚薄不同的透明体。透镜可分为聚光透镜和发散透镜。如下图所示：2，主轴（光轴）和光心通过透镜曲率中心的线就是通常所说的主轴（或光轴）。须指出，所有光线在主轴上通过时不发生折射。透镜的中心点就是光心。3透镜的焦点，焦距，焦平面，象,象点,象平面和象距照相机是通过镜头来拍摄景物的，而镜头拍摄到的景物的清晰与否最重要的是由镜头的特性参数焦点和焦距的选择决定的。⑴.焦点：当一束与主轴平行的光线投射到凸透镜上时，经凸透镜折射（主轴的光线不发生折射）而会聚于凸透镜后方主轴上的一点，这个会聚点就是该透镜的焦点。⑵.焦距：由焦点至透镜光心的距离称焦距。⑶.焦平面：透过焦点作垂直于主轴的平面称焦平面。一般将无限远处的景物或太阳所投射到相机透镜的光线看成是平行光线。如果光线从相反的方向投射，同理也可得到焦点，焦距和焦平面。通常将透镜对着光线的前面的焦点成为前焦点，后面的称为后焦点。焦点与焦距如下图所示：-5-应当指出，照相机的镜头的焦距是镜头的一个非常重要的指标参数。镜头焦距的长短决定了被摄景物在成象介质（CCD或胶片等）上成象的大小，可以说是物和象大小比例的尺度。譬如说，相机镜头有三倍焦距，这就是说，相机镜头能把被摄景物放大三倍而成像。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时，镜头焦距长的所成像大，短的则成像小。由于拍摄要求不同，有些相机镜头的焦距相差非常大，有短的焦距为几毫米，十几毫米，长焦距有长达几米的相机。⑷.象点.象.象平面照相机的镜头是由透镜组成的，根据光的直线传播和光的折射作用，被摄景物上的各点发出的不同方向的发散光通过透镜折射后会聚成一点，这个点就称象点，通过象点所作的垂直与主轴的平面就称象平面，而像就是由像平面上的无数象点构成的。在主轴上边的景物光线成像在主轴下边，在主轴下面的景物光线成象则在上面。另外，左面的景物成像在右面，右面的则在左面。形成与实物完全相反的倒象。如下图所示：前面说过，对每个透镜都有它固定地焦距数和焦点，这个焦距数和焦点是对着太阳或无限远处的景物测定的（因为太阳或无限远处的景物发出并透过镜头的光我们认为是平行光）。前面说过，透镜的焦点和焦距是透过透镜的平行光在透镜后面的光轴上汇聚而成的。如果我们拍摄的是近的景物，那就必须将镜头前伸或者将感光底片（或CCD）后移，只有这样成像才清晰。在这个情况下，这个景物的成像面就不会在镜头的焦点上，而在焦点的后面，对此，我们再看下图：⑸象的大小与焦距的关系及公式-6-透镜的焦距长短与成象的大小近似成正比如用5厘米焦距的镜头和10厘米焦距的镜头相比较，如果两个相机都在同一点对同一距离，同一高度的同一个景物拍摄，则5厘米焦距的成象高度为1厘米时，10厘米的成象高度就为2厘米。就是说，在对同物体同距离拍摄时，相机的焦距差几倍，所拍得的象的高度也差几倍。对此，我们以下图显示根据上述原理，我们可知，用小尺寸感光片（CCD，CMOS或底片）的相机装配的标准镜头是短焦距的，用大尺寸装配的标准镜头则是长焦据的。另外，根据镜头焦距的长短、物体距离相机的远近和物体的高度，用下列公式可求出象的高度。设i=象的高度，h=物的高度，f=透镜的焦距，u=物体的距离，则：用上式可以算出，若用5cm焦距的镜头对10m远的高为2米的物体拍照，则在感光片上成象的高度为1cm。⑹物和象的共轭关系镜头两侧的物和象之间有互相制约的关系，也成共轭关系：透镜的一侧有物，透镜的另一侧就有象。其中一个距透镜的距离改变，另一个距离也改变。物和象可互换位置。若象的位置上被置换为物，则物的位置上被置换为象。二．照相机成象有以下几种情况：1，物在无限远处（∞），可以认为物射到