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同学们大家好
我是曾理江教授的博士生王世玮
这节课将由我来给大家介绍一种
生活中最为常见的光学仪器
那就是照相机了
使用相机或者手机拍照
已经是我们每个人生活中
习以为常的行为
我自己也是个业余的摄影爱好者
平时喜欢拍照
我同时也是光学专业的研究生
对相机的工作原理也很有兴趣
在这部分课程中
我将会结合自己的经验
从光学原理的角度
给大家讲解一下相机的工作原理
同时我也会介绍一些
入门的摄影技巧和方法
如果同学们
想拍出更好看的照片的话
希望能够在这节课中有所收获
虽然相机已经是常见的数码消费品
但是它同时也是一种光学仪器
工业级的相机
可以作为实验系统中的测量设备
通常它需要实现图像采集
和图像处理的功能
这就是一款可以用作
图像采集的工业相机
可能每个人都有用过手机进行拍照
而对于民用的单反相机来说
大家肯定也不会陌生
在移动互联网时代
我们用相机或者手机拍照
来记录生活中的点滴
在朋友圈里
分享自己的故事
已经是老少皆宜的日常活动了
我们先来回顾一下
相机最基本的工作原理
那就是透镜的成像
图中是最为简单的凸透镜
它的焦距是f
当箭头所代表的物体A位于焦距之外时
该透镜就会有成像功能
物体上任意一点发出的光
经过透镜的偏折
会重新会聚到透镜的另一侧
形成倒立的实像A'
物距和像距分别是l1和l2
相机的镜头就是
利用了透镜的成像功能
获得倒立缩小的实像
除此之外
相机还需要使用胶片
或者传感器来记录透镜所成的像
如图蓝色的线所示
它与实像的位置重合
就可以清晰地把它记录下来
当然了
相机的这些组件
还需要封装在一个黑箱里
这样就可以屏蔽除了成像光以外
其他的无用的光线
相机自从它发明以来
已经演化出了多种多样的形式
目前市面上还能见到的
主要就包括以下几种
比如说胶片相机
这种传统的图像记录形式
虽然市场占有率已经很低了
但仍然受到很多摄影发烧友的追捧
便携式的卡片相机
它为数码相机的普及做了很大的贡献
还有可以即拍即得的拍立得
也是一种比较特殊的胶片相机
目前还可以买到
像微单或者单电相机
它可以更换镜头
同时也保留了很好的便携性
是很多相机消费者的首选
然后还有单反相机
这种相对专业的产品
可以让摄影者
充分发挥其创作的想象力
还有一些是价格
比较昂贵的大画幅相机等等
当然了 目前最为常用的相机
可能还是大家每个人手中的
智能手机了
在这节课中我们将选择
单反相机作为介绍的对象
因为它也是比较常见的消费品
商业化比较好
它也拥有标准化的镜头
和配件系统
可以包括宽口径的
从入门到专业级的范围
摄影师可以从中体会到
全方位的摄影乐趣
通过它也能让
大家对相机的原理
能够有比较深入的了解
左边就是单反相机的原理图
它的结构主要包括红色框中的镜头
和蓝色框中的机身两个部分
镜头的核心部件是透镜组和光圈
光圈在几何光学里的名称是孔径光阑
而机身的部分主要包括反光板
快门 传感器 五棱镜和取景目镜
快门是位于传感器前方
用于控制曝光的时间
五棱镜和取景目镜则是在取景时
使人眼可以看到镜头所成的像
单反相机名称中的"反"
指的就是这个反光板
单反的全称也就是单镜头-反光-照相机
单反相机的工作过程
可以分为取景和拍摄两个状态
在取景状态中
反光板是处于放下的位置
景物的光线经过镜头后
被反光板折返向上
进入五棱镜和目镜所组成的取景系统
它可以使人眼观察到所成的清晰的像
在拍摄状态时
反光板首先会向上打开
此时取景器就看不到景物了
光线则是穿过快门入射到传感器上
快门可以控制光线通过的时间
也就是调节曝光时间了
我们再来分别看看镜头
和机身的相关参数和指标
以佳能的一款70-200镜头为例
左边是实物照片
在它的型号参数中
EF是它的卡口型号
佳能的镜头的卡口
一般会标EF或EF-S
不同厂家的卡口都是不同的
不能混用
70-200则表示该镜头的焦距
可以在70毫米
到200毫米之间进行连续调节
F2.8则表示
它的最大光圈的F数是2.8
后面的一串字母也有它自己
特殊的含义
L表示是佳能的高端的镜头级别
IS是佳能的镜头的防抖技术
而USM则表示镜头是
自带对焦的超声波马达的
单反镜头的透镜组
通常不再是简单的单透镜
而是由很多的镜片所组成
例如某一代的
70-200镜头就是由15组
共18片透镜组成
这么多的镜片同时参与成像
可以实现高质量的清晰成像
控制光学系统中的各种几何像差
同时镜头组位置的调节
也可以实现镜头的变焦和对焦功能
镜头的变焦与对焦
是比较重要的基本功能
还是以佳能的这款镜头为例
它可以在70mm和
200mm之间连续调节焦距
而焦距的变化
对拍照来说有什么影响呢
如果传感器的大小相同
当镜头的焦距较短时
透镜和传感器之间的距离就比较小
所能得到的视场角就更大
对于长焦段来说
透镜和传感器之间的距离
就要增加
同时视场角也会减小
如右图所示
从照片的效果来看
短焦镜头
就可以拍摄到更多的景物
而长焦镜头
则会使照片里的景物显得更大
短焦的镜头
也会被称为广角镜头
而长焦距的则是长焦镜头
对焦和变焦
是完全不同的概念
由于物距 像距和镜头焦距
之间有确定的数学关系
因此对于
左图中确定的摄影系统来说
只有物距为l1的位置上
才可以在传感器上
得到清晰的像
当焦距不变
但被摄物体的距离变化时
我们只能通过改变镜头
和传感器之间的像距来调整
清晰成像的物距大小
这种改变像距和物距的过程
就称为相机的对焦
如左下图
当拉近镜头和传感器之间的距离时
可以得到更远物体的清晰成像
在实际的相机中
对焦调节对视场角的影响很小
不会影响画面的拍摄范围
以右图为例
对焦点选在不同距离的花朵上
可以使它们分别清晰成像
镜头的另外一个重要参数
就是光圈的大小
它使用相对孔径的F数来表示
F数越小则孔径越大
如右图所示
光圈可以衡量镜头的通光能力
光圈越大
则进入成像系统的光的能量就越多
F数是对通光能力的
一种无差别的评价
如果拍摄同样的物体
无论使用任何镜头
只要F数相同
其通光能力都是相同的
需要注意的是
通光能力是与F数的平方成反比
关于机身
我们首先介绍两个比较重要的参数
第一个是画幅
大家可能都听说过
单反相机有全幅和半幅之分
这里的画幅指的就是
传感器的尺寸大小
在胶片时期
一般民用相机使用的都是统一的画幅
宽度约35mm
如果数码相机的传感器
和这种胶片一样大
就称为全幅相机
很多入门级的数码相机
为了降低制作成本 提高便携性
会使用尺寸更小一些的半幅传感器
例如佳能的APS-C画幅的宽度
大约就是23.5mm
如果镜头相同
不同画幅所能拍摄到的视场角
也不一样
小画幅的视场角就会更小
另外一个参数就是感光度
它用ISO值来表示
这也是和传统的胶片相机的感光能力
进行标准化比对之后得到的数值
使用ISO100 200 400
这样的数来表示
感光度可以理解为
传感器对测量光信号的放大倍数
放大倍率和ISO的值成正比
如果入射到传感器的光强不够
可以改变ISO值
对其进行进一步的放大
此外
单反相机在拍摄过程中
还需要控制快门的曝光时间
以此来调节曝光量
获得亮度合适的照片
对于镜头和机身的这些参数如何设置
我们将会在后面的部分再深入分析
就单反相机来说
市面上可以买到的镜头
和机身都是五花八门
种类繁多的
镜头的设计和结构的差异也会比较大
有携带方便的饼干头
也有用于远距离摄影的长焦头
有入门级的所谓狗头
也有专业级的红圈和金圈
不同的机身也有
不尽相同的设计和功能
那么设计师们是利用了什么原理
使镜头和机身能够实现
各种各样的功能呢
我们将在下一节进行介绍
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
