中国数码摄影与后期处理教程—光的控制与镜头原理

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　　有了相机机身，我们是否就可以进行拍摄了？当然不行！我们还需要一个将光控制会聚成为图像的重要部件－镜头。

　　将光控制会聚？光摸不着，如何控制会聚呀？ 

　　我们首先做一做实验，就可以了解到镜头成像的基本原理。 

第一个实验，凸透镜成像实验：
我们使用一块凸透镜，将物体发出的光线收集起来，并投射到一面白色的屏幕上。凸透镜是由透明材料制作而成，是一块边缘薄，中间厚的透镜，如下图所示：

我们所能找到的最常见的凸透镜，就是放大镜啦，本例我们使用它来作实验：

我们将实验物品如此摆放：
被摄物为两颗小彩球，固定放置；
中间放置凸透镜；
后方放置投影屏；
因为凸透镜成像非常弱，所以我们加强打在被摄体上的光线，本例我们使用闪光灯得到强烈的光线。

关闭室内灯，这样我们没有其它光线的干扰。利用手电照射被摄物，并移动镜片和投影屏以得到最为清晰的投射图像，拍摄！我们来观察得到的影像。

　　可以看到，在投影屏上出现了被摄物弱弱的影像。它和被摄体是相互颠倒的镜像关系。 

　　我们来做第二个实验，镜头成像实验。将上次实验的凸透镜换成镜头，本例我使用了尼康的105mm F2.8 VR微距镜头。大家可以使用其他镜头，改变镜头与被摄体、投影屏之间的距离测试得到最清晰的图像，每个镜头都可以实验成功。 

　　将光圈设置为最大状态，这样可以得到比较明亮的成像。一些老镜头可以设置光圈值，而本例中，没有光圈环，于是我使用一个纸团将光圈联动拨杆卡在最大位置，从而得到最大光圈。 

　　如图所示，为使用手电对好焦的镜头摆放方式：

拍摄后观察影像，可以发现投影屏上显现的图像，画质明显优于凸透镜成像。

在投影屏上，有一个非常清晰的被摄体图像。与闪光灯照射被摄体的光照度相比，成像的亮度明显较弱。

　　通过上面的实验，我们可以看到，凸透镜和镜头都可以将物体发出的光线进行收集并将它形成影像投射在镜后。如果在镜后放置感光材料，我们就可以记录影像。这就是照相机的成像来源。 

　　那么这个成像是怎么来的呢？下面我们来讲讲镜头的原理。

　　我们先来看看，如果没有控光元件，比如凸透镜、镜头等，直接将感光材料面对被摄体，会发生什么情况。
　　在本例中，被摄体草莓上的每一个点，都会反射光线。为了将复杂的问题简单化，我们取草莓上颜色不同的两个点，叶子上的１号点、果体上的２号点、感光材料上取３号点进行研究

　　叶子和果体都会反射光源的光线，所以我们可以把它们当作发光体看待。叶子发出绿色的光，果体发出红色的光。这些光都是向四周发散的，不仅仅照射在感光材料的３点处，感光材料任何部位都可以接收到这两个点发出的色光。 

　　再加上有其它发光体发出的光照射在感光材料上，光线不受控制，杂乱的光线无法在感光材料上留下图像。

　　那么怎样将光线进行控制呢？在最早期，摄影者使用在暗箱上开一个小孔的方法控制光线。

　　首先将感光材料放在暗箱之中，这样可以防止周围环境的光线渗入干扰影像。在暗箱上开一个小孔，由于光是直线传播，所以被摄体上某点发出的光线，在直线通过小孔后，必然对应在感光材料上某个点上。点点对应，最终形成图像。这种使用小孔控制光线形成影像的方法叫作小孔成像。小孔成像与被摄物体的位置关系是相互颠倒的镜像关系。

　　针孔太小，进入的光线非常微弱。如果用于拍摄，快门速度会非常慢。为了适应我们拍摄的需要，人们使用凸透镜代替了针孔，将光线汇集成像投射在感光元件上。 

　　我们来看一看凸透镜成像原理示意图：

　　我们以草莓柄上一个点为例来看一下凸透镜是如何成像的。

　　该点反射光源的光线，向四周散射。其中部分光线进入凸透镜，在凸透镜中改变方向会聚投射在感光材料上，形成一个颜色点。被摄体的各个部位发出的光都经过凸透镜的会聚，并放置在对应点上，最后形成图像。

　　使用小孔成像，光线只能通过一个很小的孔洞，成像非常弱；而使用凸透镜成像，则可以接收更大范围的光线用于成像，成像清晰明亮，可以有效改进摄影器材，使其更能适应拍摄环境。

　　单纯使用一枚凸透镜，得到的成像效果并不理想，容易出现难以接受的像差。为了对像差进行纠正处理，人们使用多组透镜相结合的方法，得到较好的画质。于是镜头出现了。

　　我们常见的透镜分为凸透镜和凹透镜，凸透镜起会聚光线的作用，凹透镜起发散光线的作用，常见的透镜形式见下图：

　　凸透镜和凹透镜都是球面镜，事实证明，球面镜并不是最完美的。在会聚光线时总是有那么一点误差。人们使用计算机进行光路研究后，制造出非球面镜，它的形状根据聚焦误差进行了形状校正。非球面镜价格昂贵，常用在较高级的镜头上。

　　在镜头中集成了多个的透镜，它们或多个一组，或单个成组，安装在镜片支架上。我们可以通过转动镜头外部的转环，改变各个镜片之间的距离，从而实现对焦和变焦操作。

　　下图为镜头剖视图，我们可以看到各个镜片的截面形状和安装位置。

　　看过剖视图，再看镜头结构图，就很容易理解了。不同的镜头，基本结构是一致的，都是通过光学镜片对光线进行收集和误差纠正，最终在镜后形成画质优秀的图像。