相機的原理與結構    

大綱:

一、相機的基本原理

二、針孔相機的製造

三、相機的構造

四、相機種類介紹

 一、相機的基本原理

大體上來說,相機是由機身與鏡頭組合而成,底片裝在機身背後,被攝體被光線照射時會吸收部分光線,反射其他的各種光線,透過相機的特殊構造,將影像投射在機身後方因而紀錄在底片上,使被攝體的影像可以重現,如此而已。

基本上光線是以直線方式射出,不會轉彎,因此人類應用此原理,設計出『映寫暗箱』(暗室),它是相機的前身,當時是藝術家用來輔助繪畫而設計出來的;其間人們又發現了某些化學物質(例如鹵化銀)受光線照射後會分解成金屬銀(反正就是會收光線反應而改變顏色啦!),各位不曉得有沒有看過曬藍圖?他們的原理很相近,只是曬藍圖的感光光線是紫外線。聰明的人類就將二者結合,演化成相機的雛形-針孔相機。

接著再透過光圈來改善影像的清晰度(減少繞射現象,將來有機會會介紹到)、以快門來調節曝光的時間長短,最後演變成現在的相機,而近年內科技發達,使得功能面無限的延伸。

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二、針孔相機的製造

既然要介紹相機的原理,當然要玩玩針孔相機,這會使各位初學者能夠更深刻的體會到光線的奧秘。下圖是摘自『攝影指南全集-用心作個攝影家』約翰.海巨格/著,王信/審訂P21的圖面,簡單的針孔相機示意圖:

         

它的製作方法相當簡單,主要材料有:一個鞋盒、一片鋁箔、一張軟片(負片)及一塊黑布即可。首先在盒子的一側割一個方洞,然後貼上一片鋁箔,要確定接縫處不可漏光;接下來用一根針,在鋁箔紙正中央戳一個整齊的小孔(要用鋁箔紙是因為如果用卡紙無法戳出整齊的孔) ,如此針孔相機即初步完成。

接著將針孔相機移到一個暗室(務必非常的暗,伸手不見五指才可,軟片才不會曝光),剪下一張ISO 100的軟片(負片)固定在盒內針孔的正對面,請將軟片塗有乳化劑的那一面朝外(簡單的判斷就是會彎曲的那一面朝外),再用黑布(也可以用黑色的塑膠袋)將盒子蓋住。

接著就要進行最令人興奮的一刻了!將針孔向西拿到陽光下(盡量不要正中午),鋁箔紙那一面對準被攝體,然後掀開針孔上頭的黑布讓盒內的軟片曝光,掀開的時候注意不要移動到針孔相機。至於曝光多久才算完成很難判斷,不過,大約三秒鐘吧。曝光完成後,立刻用黑布把針孔蓋起來,將盒子放進暗室,取出軟片,進行沖洗就可以看結果了。

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三、相機的構造

不論簡易型或單眼相機,都有五個基本構造:鏡頭、機身、光圈、快門和觀景窗。筆者一一來介紹相機的各部位名稱及其功能:

鏡頭

鏡頭有如人眼用以捕捉景物,通常由數個到十數個不等的凹凸透鏡組合而成,且多為成雙配對,再經過特殊的鍍膜處理,使景物減少耀光、折光,提高影像畫質。一般而言,以鏡頭焦點距離的長短(焦距focal length)來分類,約為標準鏡頭、廣角鏡頭、望遠鏡頭及變焦鏡頭等四大類。分別介紹如下:

(一)標準鏡頭:

標準鏡頭的焦距為5Omm,其呈現的影像與肉眼所見的景物相似,視角53度(近似人眼,為計算方便都用50mm表示);焦距約等於使用底片對角線的長度;以一般135底片而言約43mm、120底片約80mm或75mm,最大光圈值較大,適合拍攝一般風景或人 物肖像照片。     

(二)廣角鏡頭:

廣角鏡頭為焦距5Omm以下的短焦距鏡頭,其拍攝視野較寬,即視角較大(EX:24mm的視角約為84度),從觀景窗看到的景物呈現於照片上會會變小,不過景深較深長。適合拍攝寬闊的全景、風景照、俯瞰景觀等景物。也有視角180度的魚眼鏡頭,從17mm~7.5mm的都有,可誇張前景,影像扭曲現象。

(三)望遠鏡頭:

望遠鏡頭為焦距5Omm以上的長焦距鏡頭。能夠拉近遠距離的景物,會壓縮空間感,視角較小,景深也會變短,適合拍攝遠距離的大自然景觀,自然生態的動植物及人物的特寫鏡頭。

(四)變焦鏡頭:

變焦鏡頭即結合了以上三種鏡頭的功能為一身,擁有多重焦距,如28mm~l35mm的變焦鏡頭,即等於同時擁有廣角、標準及望遠三種鏡頭。有了它,可以免於拆換鏡頭與攜帶的不便,近來已經非常普遍,但是它的光圈通常都無法做到很大。現在一般高級的傻瓜相機亦都配有變焦鏡頭,價格不過二至四千元。

鏡頭的視角

機身

機身肩負著連接所有攝影配備的重責大任,因此人們對機身的改良與變革也最大,但一般而言它有幾個主要的機構:

(一)測光機構

現在的相機都內含有測光表,通常位於機身內五稜鏡旁的底片室下方。測光數值顯示裝置在老一代的相機是指針式的;後來有發光二極體 (CED),用燈光顏色來區分曝光量,現在則多為液晶顯示(LCD)。因應底片感光度的不同,機身本身也一定會附有底片感光度調整裝置,用來設定底片的感光數值 (ASA、ISO),這是測光機構。

(二)曝光機構

它的主體當然就是快門了,不過快門的詳細介紹容後面進階課程再詳述。其他還有曝光補償功能,(exposure compensation dial)為了不同的景象決定曝光指數,在某些複雜的光線環境下,測光表是會被大自然所欺騙的,因此需要他來幫助檢測光度調整曝光。還有一個最常用的功能就是自拍器嘍。

(三)底片處理機構

傳統相機裝片、捲片、退片等都是手動的,因此有些新手時常發生一些狀況:很高興的拍完一卷底片後發現沒上片成功,竟然都是空捲;拍完後忘記捲片而發生雙重曝光等。而現在很多相機都有馬達捲片器,可自動裝片、按完快門後自動捲片、拍完自動退片、甚至強迫退片等功能。特別一提:有時候重複曝光也是攝影技巧的一種,因此除非是簡單的傻瓜相機,不然也都有附加此裝置。再來就是機背,可以在相片中加上日期、時間...等,乃至於數位相機的CCD感光材、高寫錄的記憶卡、LCD顯示螢幕!

(四)取景及對焦系統


  以單眼相機為例:
被攝體光線經過相機鏡頭,到達反射鏡時,反射鏡將光線折射至五角稜鏡上,當按下快門曝光時會彈起,搭配光圈與快門以取得適當的曝光量,將影像紀錄於軟片上。光線再反射到毛玻璃(可增加對焦的方便性)到達五稜鏡,使光線正確的折射至觀景窗內;觀景窗則具取景與對焦功能。另外有景深預觀鈕,可預先觀測拍攝物之清晰範圍(有關景深的介紹容後詳述)

 

光圈

光圈控制光量進入鏡頭的多少,在鏡頭裡面有許多金屬葉片所構成的圈狀開孔,即為光圈。此開孔會隨著鏡頭上F值做調節而開大或縮小,光圈值成等比級數,公比約為根號2。F值小則光圈孔大(如F2.8),F值愈大則光圈孔愈小(如F22)。

F1.4 、 F2 、 F2.8 、 F4 、 F5.6 、 F8 、 F11 、 F 16 、 F 22 、 F32

F1.4:F2 的進光量比是 1:(1/2),進光量相差一倍,可見光圈值越小,進光量越多,那就表示使用的是大光圈如圖所示:

 光圈值= 焦距 / 有效孔徑  --->分母越大,值就越小               F2.8                        F22   

快門

快門是控制光量進入的時間的長短,並且會影響畫面的動感。快門速度S分為:

1 、 2 、 4 、 8 、 15 、 30 、 60 、 125 、 250 、 500 、 1000

其中l代表1秒,2為1/2秒……1000為1/1000秒,依序類推。數目字愈小開啟時間愈長;反之則愈短。為了便於計算曝光量,快門速度都採幾何級數,作1:2的比例增減。因此,每一級快門速度是它的相鄰一級的1/2或2倍 。

一般而言,快門速度愈慢,所拍攝的影像會呈現流動感。若欲將運動中物體拍攝成定格影像,則要用快速快門,如1/2000秒。當然快門速度的應用不只如此,但基本上一張好的照片,先決條件為適切的曝光量。而拍攝照片時,光圈與快門要相互配合才能獲得適切的曝光量。

觀景窗

觀景窗的設計在於能提供攝影者觀看欲拍攝的景物,做為取景及構圖。在單眼反射相機的觀景窗上可看到自動或手動的曝光訊息。簡易型相機的觀景窗則較簡單,僅顯示自動對焦的區域和視差修正符號。


      單眼反射相機觀景窗                         簡易型相機觀景窗

                   

             

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四、相機種類介紹

依觀景窗看出的景物區分

單眼反射式相機(SLR,Single Lens Reflex)配備的鏡頭兼具取景、對焦與成像功用,由觀景窗看到的景物和底片上的成像是一樣的。當然現今電子式單眼相機深受攝影者的喜愛,它具有自動捲片、對焦、曝光的功能,亦可轉換為全手動模式,集全自動與全手動功能於一身。

雙眼反射式相機(Twin-Lens Reflex)就是坊間所稱的傻瓜相機,多半不可更換鏡頭和片盒,只有少數例外,全自動對焦與曝光裝置。而由觀景窗看到的景物和成像會有誤差須作調整。對沒有攝影技術的人來說,傻瓜相機是最方便的。近年來傻瓜相機的改良,提供了更多元化的曝光選擇及變焦鏡頭,使攝影者更能發揮構圖、取景的創意。

但是簡單的說,單雙眼相機之區別在於觀景窗取景和曝光時光線所行之途徑相同與否。若是同樣經過鏡頭,就是單眼相機,若不同那就是雙眼相機嘍。 



單眼相機取景直接透過鏡頭,取景誤差小      雙眼相機取景路徑不同,拍攝到的照片與原來景像有差異

                        雙眼相機觀景窗修正框

                  
依快門驅動方式、操作方式區分

機械式相機(ex:Nikon FM2)此類相機利用齒輪及彈簧之機械力量驅動快門運作,優點是可靠性高,受氣候影響較小,在零下10-20度的低溫下仍能運作,耐用性高。缺點是有機械彈性疲乏的現象,震動及噪音較大。

電子式相機(ex:Canon EOS50、Nikon F70)利用半導體震盪計時器計時、電磁力控制快門運作,優點是精確度高,較安靜,操作方便。缺點是低溫時電池耗電速度快,且一般在零度以下可能就會停擺了,耐用性也稍低一些。



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