摄影入门 | 相机的基本原理

一、获取图像——小孔成像实验

小孔成像实验中，点燃蜡烛，会在小孔另一面的白纸上看到一个倒立的烛焰。

此现象可以用来解释物理学原理：光在同种均匀介质中，在不受引力作用干扰的情况下沿直线传播。

这样，我们就用一种最简单的方法在白纸上获得了蜡烛烛焰的图像。

二、捕获图像——底片原理

如果将小孔成像实验中的白纸换为底片（胶片），就可以将蜡烛烛焰的图像记录下来。

胶片的全称为银盐感光胶片，也叫菲林，原理是将卤化银涂抹在乙酸片基上，当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经显影工艺后固定于片基，成为我们常见到黑白负片，而彩色负片则是涂抹了三层卤化银以表现三原色。

这样一个最简单的照相机就诞生了。

三、聚焦成像——凸透镜的成像原理

小孔成像实验中，蜡烛自身是强光源，才能透过小孔在白纸上成像，所以该种方式对光源的要求极高，在日常生活中，我们不可能像蜡烛一样点亮自己，更多的是靠太阳光进行漫反射。

凸透镜可以改变光线折射率，对光线进行聚焦成像，凸透镜的成像原理如下：

1. 焦距

焦距是指平行光线通过镜头汇聚到一点，这一点到镜头中心的距离称为焦距，也就是上图中的F。

2. 凸透镜成像规律的应用

首先需要知道什么是物距？什么是相距？物距指的是上图中左边物体与镜头的距离，记作$u$，相距指的是上图中右边成像与镜头的距离，记作$v$。

（1）照相机

成像规律：当物体处于凸透镜的2倍焦距之外（$u>2F$），成倒立的、缩小的、实像，成像位于一倍焦距和二倍焦距之间（$f<v<2F$）

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于照相机，拍摄2倍焦距之外的物体。

（2）投影仪

成像规律：当物体处于凸透镜的1倍焦距和2倍焦距之间（$F<u<2F$），成倒立的、放大的、实像，成像位于二倍焦距之外（$v>2F$）

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于投影仪，放大在1倍焦距和2倍焦距之间的物体成像。

（3）放大镜

成像规律：当物体处于凸透镜的1倍焦距之内（$u<F$），成正立的、放大的、虚像，并且物体和成像在凸透镜的同一侧。

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于放大镜，放大在1倍焦距之内的物体成像。

3. 焦距与视角的关系

视角的专业名词叫视场角（Field of view），简称FOV，指照相机最终能成像的角度范围。

视角与焦距之间的关系如下图：

图中$f$是焦距，$h$是感光元件的长度，可以近似得出焦距与FOV角度的关系：
$$FOV=2arctan(\frac{h}{2f})$$
得出结论：当f越小，FOV越大，即焦距越小，成像角度范围越大。

镜头的焦距和视角对应情况如下：

不同焦距的镜头拍摄出的实际成像区别如下：

一般情况下，相机镜头可以按视角分为

• 鱼眼镜头：焦距为16mm或更短，视角范围极广，接近180°
• 超广角镜头：24mm以下
• 广角镜头：24-35mm，视角范围广，景物个体小
• 标准镜头：35-85mm，视角接近于人类的视野
• 远摄镜头：85-300mm，视角范围窄，景物个体大
• 超远摄镜头：300mm以上

具体的相机镜头分类可以参考这篇文章：摄影入门之相机镜头的分类。

四、数字图像——感光元件（sensor）

胶片的原理是通过光产生化学反应来记录，而感光元件的原理将光转化为模拟电信号来记录，感光元件使得照相机从传统的胶片相机变为数码相机。

感光元件产生的模拟信号，首先经过模拟信号放大器进行信号放大，进而经过数模转换电路（DAC）变为数字图像，数字图像再经过ISP（Image Signal Processor）图像处理器进行数字图像处理，最后数字图像经过压缩编码算法，存储到SD卡中成为一个照片文件。

感光元件也叫图像传感器（sensor），分为两种：一种是广泛使用的CCD(电荷耦合)元件，另一种是CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。

1. CCD

CCD全称Charge Coupled Device，它使用一种高感光度的半导体材料制成，由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。

当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，即把光转换为电荷，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

2. CMOS

CMOS全称Complementary Metal-Oxide Semiconductor，它主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着N极和P极的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录为影像。

两者最主要的区别在于：CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器，而CMOS传感器在成像速度、功耗、价格等方面优于CCD传感器。

关于CCD和CMOS的详细区别分析，参考文章：全面详细解析CMOS和CCD图像传感器。

以上就是相机中最基本的原理，下篇文章将来介绍相机中常见的一些参数。