相機光學結構簡介


此網頁中將介紹各類相機的光學結構部份,至於電子相機的電子結構以及原理則非本網頁討論之範疇。

針孔相機

照相就是將物體的影像投射在感光介質(底片上或是CCD)上面,但是要達到此目的,並非一定要靠透鏡。各位在樹底下一定會發現,由樹葉透過的陽光似乎在地面上常常是一個一個的光亮圓形,其實那些光亮的圓就是太陽經由樹葉縫隙所造成的針孔投影。

如果您在紙上刺一個針孔,晚上放在白紙上方,就會發現頭頂上的燈會經由針孔投射在下方的白紙上,這就是針孔成像,原理像上圖,每個點的光線經過針孔形成一個倒立的影像。最簡單的針孔相機就是在機身蓋上面打個小孔,拍拍看就知道了。

其實目前也有不少追求創意的攝影同好在利用針孔原理來拍出與眾不同的照片,還有一些網站是專門探討針孔像的。現在有數位相機更容易玩針孔,因為是否 曝光充足馬上就可以揭曉,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,但其實各有效果;創意才 是藝術的生命,就是要與眾不同,那誰又能料到不遵守這個規則時會有什麼意想不到的結果呢?


單透鏡相機

 

針孔雖然【可以】拍出照片來,但是實際玩一下就知道其實針孔要曝光很久,玩創意可以,但真正要實用就會有問題。

如果要真正能實用的拍照,最簡單是使用透鏡,將凸透鏡對著窗外景物會在後方呈現一倒立之影像,這個影像投射在感光元件(底片或CCD)上就可以將影像記錄下來。

簡單的凸透鏡,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,或者是變形嚴重;因此一般的單透鏡並不是良好的攝影鏡頭。


在 實際上並不是沒有單透鏡相機,一般的玩具級相機、或是拋棄式相機,有些就是單透鏡相機,不過此種相機不用一般的雙凸透鏡而是使用弧形透鏡,如左圖,該類相 機一般使用塑膠鑄模透鏡,後方有固定的光圈擋板,將光圈設定在5.6~8左右,在光線足夠的時候,弧形透鏡可以產生尚可接受的影像品質。相機上方則有一個 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後的結構。更簡單的拋棄式相機有些甚至沒有觀景窗透鏡。此類相機的快門常常是只有一種速度,不 能調整,位置則是緊貼在光圈後方。


 

連動測距相機(Range Finder Camera)

連 動測距相機常有人稱為雙眼相機,其實那是錯誤的,所謂的雙眼相機另有其【機】,後面再介紹。連動測距相機其實只有一個鏡頭,如左圖,上方有觀景窗以及一個 對焦窗,算起來似乎應該稱為三眼。有些可更換鏡頭的一些連動測距相機,因為要配合不同焦距的鏡頭,觀景器是另外卡在閃光燈的座子上,此種相機在購買鏡頭時 常要同時買一個觀景器。

不能換鏡頭的連動測距相機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1/500秒。因為鏡間快門與閃光燈的連動方式是快門開到最大時引發閃燈,所以任何速度都可以與閃光燈同步。

可以更換鏡頭的連動測距相機,快門位置則與目前一般的單眼相機類似,在貼著底片的前方,一般為布簾構造,在速度超過1/60秒的時候,除了加快布簾 的開闔速度之外,還將前後兩片布簾的距離縮小,所以實際上是一條窄縫經過底片前方來完成曝光,閃光燈是在第一片布簾到定位時引發,此時其實第二片布簾已經 【跟過來了】,已經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於1/60秒的現象。


連 動測距相機連動測距原理如左圖,最左方為觀景窗,內有一片半透鏡,可以看到拍攝景物;右方則有一個對焦窗,對焦窗內有一反射鏡,反射鏡可將觀景窗中央看到 同樣景物的一小部份反射經過觀景窗的半透鏡,因此觀景窗中可以看到景物的中央還有一個由對焦窗反射來的影像。對焦窗的反射鏡下方有連動桿,連動桿與鏡頭上 的對焦環有互動關係,當對焦時會影響連動桿使反射鏡轉動,當反射鏡中的影像與觀景窗中的影像重合時即為【合焦】。因為連動測距相機反射鏡與觀景窗的距離有 限,使得對焦精度產生限制,一般連動測距相機能精確對焦的鏡頭焦距為135mm,所以才有這麼一個奇怪的焦距。

連動測距相機如果將對焦測距系統以電子訊號偵檢系統代替,則變為簡單型的自動對焦相機。


 

雙鏡反光機(Twin Lens Reflect)

外 型像左圖這樣的才是真正的雙眼相機,更正確的應該說是雙鏡反光機,此類相機都是使用120底片,有兩個鏡頭,一上一下,上方為對焦鏡,下方為拍攝鏡,上方 的對焦鏡常常是庫克三重鏡結構,而下方有些廉價機型使用與上方對焦鏡同樣的鏡片結構,有些稍微高價的則使用Tessar結構,而更高價的機種則使用更為複 雜的五片或六片結構。有些機型還可以更換鏡頭,更換的鏡頭也是兩個一組,一上一下。雙鏡反光機的快門位置是在下方的攝影鏡頭中,光圈也一樣。


左圖為雙鏡反光機的解剖示意圖,所謂雙鏡反光是指上方的對焦鏡後方有一反射鏡,將影像反射至對焦屏上,早期機型的對焦屏為毛玻璃,後來的機型也有fresnel透鏡結構,看起來不會邊緣變暗,不過此類對焦屏上的影像都是左右相反的。在上方則有可折疊的對焦放大鏡。


 

單鏡反光機(Single Lens Reflect)

單鏡反光機也常稱為單眼相機,左圖是一台現代的數位單眼相機,與以前的單眼相機相比,其實只是感光介質的不同,以光學路徑的角度而言,其實差異不大。最近Olympus出品的可以用LCD對焦屏來對焦的數位單眼則多了一些零件。

單眼反光機有135、120的規格,Pentax還出過使用110底片的規格。120的規格只是體積大些,基本原理其實還是與135規格的相當類似。


左圖是典型的單眼相機結構,或稱為單眼反光機,單眼是指只有一個鏡頭。反光是指可以彈起來的反光鏡,左圖中綠色的部份是對焦屏,深藍色的是集光透鏡,集光透鏡其實相當於天文望遠鏡目鏡上的場透鏡,一般不會改變透鏡組的焦距(或是改變很少),主要是將光線角度加以調整。

最早期單眼反光機的觀景窗與光鏡反光機相似,並沒有現代的五稜鏡,是用一個放大鏡來對焦,對焦時低頭向下看對焦屏,該類型稱為腰平觀景器,因為如果不用放大鏡對焦時,相機其實是放在大約腰部附近,腰平觀景器的影像都是左右相反的。

後來有了五稜鏡,眼睛可以在五稜鏡後面的觀景窗中看到上下左右與實際景物一致的影像,此類觀景器稱為眼平觀景器。目前一般的單眼相機絕大部份都是配 備了眼平觀景器。有些職業用的機型觀景器則可更換,對焦屏也可更換,以應付不同的專業需求。單眼反光機除了早期極少數的機型以外,都可以更換鏡頭,所以單 眼反光機比較可以適用於更多的拍攝目的。

單眼反光機的快門在底片(數位單眼當然就是CCD)前方,早期與可換鏡頭的連動測距相機類似,是橫走布簾,後來則開發出縱走的金屬簾幕,配合狹縫的 使用,最高可達相當1/8000秒的曝光時間。幾年前,縱走快門的閃燈同步速度有些高級機種可達1/250秒。目前則有所謂高速同步的技術,像Leica R9閃燈同步甚至高達1/8000秒。


對焦屏

對焦屏是單眼相機的重要零件,最早期只有磨沙對焦,後來發展出fresnel透鏡結構(有時筆者會稱它為【環紋透鏡】)、微稜錐以及裂像對焦器,使對焦更容易。裂像對焦器是過去手動對焦時代的重要零件,原理為何?其實裂像對焦是兩個類似稜鏡的部份所組成,斜面是相對的。

在左上圖中,當一個綠色物體貼近稜鏡時,因為折射而感覺該物體應該在紅色物體的位置,也就是對人眼而言,在紅色物體的位置會產生虛像;當該物體越遠 時,人眼會感覺虛像位置越遠離實際物體位置。如果將兩個稜鏡相對,後方的物體如果離鏡面越遠則感覺虛像分離的越開。而鏡頭所成的實像其實就相當於物體,經 過對焦屏後如果兩個虛像位置相合,就表示實像與稜鏡的距離達到最小,也就是合焦,當然相機在設計時就將合焦的位置調整到此時剛好實像也會投影到感光面上。

至於在裂像對焦出現前有一種叫做微稜錐的對焦器,其實原理類似,結構如左圖,由一堆錐體組成,如果實像沒有在最接近底面的部份,整個因為虛像會經過 不同方向的斜面造成影像扭曲,合焦時則影像清楚。其實這個現象自己也可以實驗,找個楔型的壓克力或是玻璃稜鏡,將白紙上畫一條線,當稜鏡貼在紙上時,線的 偏移最小,離開紙越遠影像就越會偏移。


左圖中為一個實際的對焦屏,下方是對著反光鏡,面上有fresnel透鏡結 構,左圖只是示意圖,實際的fresnel透鏡環紋非常細微,有百條以上,我沒有算過,也沒找到資料。上方則是對著五稜鏡,焦點面就在上方的表面處,表面 有細微的磨沙顆粒結構。兩個交錯的裂像稜鏡其實是一半凹入對焦屏,一半凸出對焦屏。當合焦時兩個影像交錯最小,看起來是相接合,但是當影像不在焦點面上, 就會因為兩個交錯的稜鏡偏移方向不同而看起來錯開。實際上兩個稜鏡的斜角並沒有圖中那麼誇張,而對焦環也要轉一些角度才會顯示出偏移。


現代的對焦屏有許多新的技術,左圖中A是比較早期的對焦屏,上方的磨沙其實是不規則的,下方的環紋透鏡也沒那麼完美,但是現在的新技術,可 以將下方的環紋透鏡每個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。對焦屏上方的磨沙,目前也有改進,據說使用了雷射切割的技術將 表面作成類似許多透鏡的形狀,如圖C。整個現代的對焦屏如圖B,上方的磨沙變成了許多微透鏡,下方的環紋透鏡也更接近透鏡的曲度,整體更亮,更容易對焦。

自動對焦的單眼相機都使用全磨沙的對焦屏,但是有些朋友希望用手動鏡,因此有些朋友將對焦屏DIY更換成裂像對焦屏,但是因為對焦屏的透光度不同,或者說看起來亮度不同,因而造成了更換對焦屏之後曝光不正確的問題,此時就需要調整曝光補償值了。

 

小型數位相機

一般小型數位相機的光學系統是比較簡單的,只有觀景窗以及拍攝用的鏡頭,對焦系統則由電子訊號偵檢器系統代勞。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測距相機的感覺類似。

 

大型蛇腹機

大 型蛇腹機體積大,也較重,使用時最好使用腳架,一般只有職業用家才會使用,但是大型的蛇腹機也有許多無法取代的優點。大型蛇腹機有許多不同機型,不同的大 小可以使用4x5、8x10等等的大型底片,使用大型底片在輸出同樣大小的畫面時可以獲得解析度更好的畫質,但這只是好處之一,最大的好處是蛇腹機可以做 出一些小型相機做不到的調整動作。

由左方的示意圖看來,蛇腹機前方有鏡頭固定板,此部份可以上下擺頭、左右擺頭、上下升降、左右平移,當然也可前後對焦。後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】,當然有些廉價的簡單機型有些功能也許會被省略。以下就介紹兩個蛇腹機的絕招,而 那些複雜的動作,其實基本原理也不過是下面兩種重要功能的組合罷了。


 

移軸

大家應該有使用超廣角鏡頭拍大樓的經驗,常常拍出來的影像是上小下大,看起來像要倒下去一樣,因為仰角時大樓的頂部與底部其實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不同,因此會產生上小下大的變形。

移軸是指前後兩片固定板平行移動,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。此種調整在拍攝建築物時特別有 用,使用移軸功能時光軸與大樓垂直,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。

移軸鏡除了拍建築之外,有時也可以拍鏡子,一般拍鏡子會把自己拍進去,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,否則會看起來不自然。

移軸雖然是蛇腹機的好處之一,但是135單眼相機也有些廠家出產移軸鏡,但是價格昂貴,而且移軸的距離無法像蛇腹機那樣大。目前而言,其實用數位相機時,只要變形量不大的話都可以在電腦中校正回來,已經不那麼需要移軸鏡的功能。


 

搖擺

將 前鏡頭固定板或是後底片固定板搖擺調整是另一個蛇腹機的重要功能。先看左上圖,一般如果拍攝的景物,遠近不一時,例如桌子前後放了許多小擺飾,很難將景深 控制在遠近都清楚,往往最近或者最遠的會超出景深之外。但是如左下圖,如果前鏡板以及後底片板都可以搖擺調整,就可以調整到遠近物體都在成像平面附近,這 樣就可以增大景深。反之,如果故意將影像調到不在感光面,當然也可以對某些部位產生更模糊的效果。

此外有時要改變實際物體的相對比例也可以使用此一功能,將想要放大的影像部位調整到遠離鏡頭,就可以將該部位影像變大,但是此時要使用小光圈,否則會失焦。

其實蛇腹機扭來扭去,基本上也只是調整感光面與鏡頭垂直面的相對關係。如果只需要上下或左右扭動,只需要單軸調整,如果是斜向的扭動,才需要兩軸一起扭動。

有些廠家也生產具有此一功能的135相機鏡頭,但是當然價格也是很貴,而且當然調整的幅度也沒有蛇腹機來的大,此外也只能調整鏡頭部份,底片部份也不能調。不過有些120的專業型單眼相機也將蛇腹設計成有類似的功能,但都沒有真正蛇腹機的調整幅度來的大。

 

 

 

 

 

 

相機快門動作

鏡間快門

早期多半為鏡間快門,此處的動畫是以一個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,後期的多半為五片,但是一般的簡單型相機或是所謂的傻瓜機甚至兩片也是常見。

鏡間快門是在所有葉片全開時引發閃燈,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多為鏡間快門。

 

 

簾幕快門

相機演變到可以換鏡頭的機型以後,因為要將鏡頭在拍攝期間取下,底片會曝光,因此鏡間快門已經不符所需,演變出簾幕式的快門,簾幕位於底片前,這樣將鏡頭取下時底片也不會曝光。此時鏡頭因為少了快門,結構就簡化了。

簾幕快門的運作如左圖,前簾先打開,間隔一段時間之後後簾再將底片遮起,而間隔的時間則為快門速度。如果是可換鏡頭的連動測距相機,快門的動作就只 有與簾幕有關;而如果是單眼反光機則在簾幕打開前還有反光鏡上舉的動作,因為動作簡單所以沒有畫出;此外現在的單眼幾乎都是開光圈測光,所以,在快門打開 之前還會有一個將鏡頭光圈縮起的連動。

簾幕快門是在前簾全部打開時引發閃燈,此時底片全部露出,因此可以接收到閃燈的光線。

 

但是簾幕快門需要【走過】整個底片的距離,因此需要時間,前簾從啟動到走到定位,已經消耗了一段時間,即使快門設定為數百分之一秒,其實前 簾走過的時間可以已經不只數百分之一秒,因此在前簾還沒有走到底之前,後簾就必須【跟上】,隨著前簾將底片遮起,這樣簾幕走過底片時就變成了一條狹縫,實 際曝光的時間才能達到數百分之一秒以內。

因為前簾走到定位時,後簾已經跟上而遮住了一部份的底片,如左圖,因此此時引發閃燈就會導致一部份的底片無法接收到閃燈的光線,所以簾幕式的快門有 閃燈同步時間的限制。至於高速同步的閃燈則是閃光燈管延長發光的時間,以便在整個簾幕狹縫【走過】底片的時候持續發光使底片曝光。

 

 

單眼鏡間快門

因為過去並沒有高速閃燈的技術,因此有閃燈同步快門速度的限制,可是這樣就限制了一些職業攝影師的使用條件,因此職業用的中片幅單眼相機是具有鏡間快門的單眼反光相機。

如左圖,鏡間快門在對焦取景時是開著的,等到曝光時才縮起,此時遮住底片的簾幕會打開,反光鏡收起,然後鏡間快門依照設定的速度打開再關起,然後反 光鏡放下,簾幕再度遮住底片,而此時鏡間快門再度打開,觀景窗中又可以看到影像,所以職業用的中片幅相機,在按下快門之後常會聽到一陣亂響,就是這些複雜 的動作引起的。



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