相機光學

相机光学 照相机的工作过程，概略地说是应用光学成象原理，通过照相镜头将被摄物体成象在 感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成象原理：人类对于光的本性的认识，光线的传 播及透镜成象原理。 人类对于光的本性的认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个18世纪中，光的微粒流 理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源发出并以直线向 四面八方辐射。19世纪初，以杨氏（Young）和菲涅耳（Fresnel）的著作为代表逐步发展 成今天的波动光学体系。如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时 具有波的性质和微粒（量子）的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是 它们的混合物。 从本质上，讲光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波，即波的振动方向 与传播方向垂直。一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播， 和水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用λ表示。 传播一个波长所需的时间称为周期，用T表示，一个周期就是一个质点完成一次振动所需 要的时间。1秒内振动的次数称为频率，用ν表示。经过1s振动传播的距离称为速度，用 “v”表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关系： v=λ/T ，ν=1/T，v=λν 由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小一部分， 见图1-2-1。 波长在400～700nm的电磁波能够为人眼所感觉，称为可见光，超过这个范围人眼就感 觉不到了。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短， 光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中具有完全 相同的传播速度，数值是c=300,000km/s。 光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设计照相机 镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传播能量的几何线， 叫做光线。光源A发光就是向四周发出无数条几何线，这无数条具有方向的几何线就叫做 光线。这样在几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学问题，问题简 化多了。 下面叙述几何光学的几个基本定律——光线的传播规律： (1)光的直线传播定律 光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为 一直线。光的直线传播现象在日常生活中随时随地可以见到，如物体被光照射而成影，小 孔成象等。光的直线传播引出了光线这个概念。 (2)光的独立传播定律 光的传播是独立的，当不同光线从不同方向通过介质某一点时， 彼此互不影响。当两支光线会聚于空间某一点时，它的作用为简单的叠加。光线的这一性 质，使被拍摄物体各点的光互不影响地进入照相镜头，在成象面上成象。 (3)光的反射定律 当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光 的反射。光的反射定律指出： ①入射光线、反射光线和分界面上光投射点的法线在同一平面内，人射光线与反射光 线分别位于法线的两侧。 ②人射角和反射角相等。如图1-2-2所示，入射光线与法线N的夹角记为入射角，用i 表示；反射光线与法线N的夹角记为反射角，用α表示。则有i=α。光的反射现象还具有 可逆性，假如光线逆着原来反射光线方向入射到界面上，那么它将逆着原来入射光线的方 向反射出去。 随着界面的不同，反射又可分为定向反射和漫反射。从一个方向入射到光亮、平整的 镜子上的光线，入射点都落到同一平面上，其反射都向着同一方向，如图1-2-3（a）所示， 则称为定向反射。当光从一个方向投射到粗糙表面上时（如毛玻璃面等），由于粗糙面可 以看成由许多角度不同的小平面组成，光线便从各个不同的方向反射出去，称为漫反射， 如图1-2-3（b）所示。但需注意在漫反射现象中，就每一条光线而言都还是遵循反射定律 的。 光的反射，在照相术中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当光线从各个 角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反射光进行拍照，就是 遵循光的反射定律。象差对成象质量的影响 照相镜头的等级标准 照相机的基本组成部分 我们可以用一个简单的示意图来表示照相机的基本结构（图1－1－1）。 一、镜头 图中镜头使景物成倒象聚焦在胶片上。为使不同位置的被摄物体成象清晰，除镜头 本身需要校正好象差外，还应使物距、象距保持共轭关系。为此，镜头应该能前后移动 进行调焦，因此较好的照相机一般都应该具有调焦机构。 二、取景器 为了确定被摄景物的范围和便于进行拍摄构图，照相机都应装有取景器。现代照相 机的取景器还带有测距、对焦功能。 三、控制曝光的机构——快门和光圈 为了适应亮暗不同的拍摄对象，以期在胶片上获得正确的感光量，必须控制曝光时 间的长短和进入镜头光线的强弱。于是照相机必须设置快门以控制曝光时间的长短，并 设置光圈通过光孔大小的调节来控制光量。 四、输片计数机构 为了准备第二次拍摄，曝光后的胶片需要拉走，本曝光的胶片要拉过来，因此现代 照相机需要有输片机构。为了指示胶片已拍摄的张数，就需要有计数机构。 五、机身 它既是照相机的暗箱，又是照相机各组成部分的结合体。 可用框图表示照相机的最基本组成部分。 其实，就照相机这个基本功能而言，无论是早期的“银版照相机”，还是今日已经 高度电子化、自动化、电脑化的照相机，其基本原理都没有多大区别。 日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响，要对 一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异，这种成象的 差异就称为镜头（或成象光学系统）的象差。 象差是由光学系统的物理条件（光学特性指标）所造成的。从某种意义上来说，任何 光学系统都存在有一定程度的象差，而且从理论上来讲总也不可能将它们完全消除。肉眼 和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要象差的数值小于一定的限度，我们 就认为该系统的象差得到了矫正。 下面我们简单扼要介绍照相镜头的象差分类、形成和矫正。 透镜的象差可以分成两大类：单色象差及色象差。 一、单色象差 如果镜头只对单色光成象，那么共有五种性质不同的象差．它们是影响成象清晰度的 球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变。 1、球差 由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成象后，由于透镜球面上各点的聚光 能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心的对称的弥散斑，这 种象差称为球差，如图1-2-10所示。 球差的大小与物点位置和成象光束的孔径角大小有关。当物点位置确定后，孔径角越 小所产生的球差也就越小。随着孔径角的增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。在 照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。因此在拍摄时，只要 光线强度允许，就应该使用较小的光圈拍照，以便减小球差的影响。 2、彗差 光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对 称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴， 其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的象差称为彗差，如图 1-2-11所示。彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。彗差的大小既与 孔径有关，也与视场有关。在拍摄时与球差一样，可采取适当收小光孔的办法来减少彗差 对成象的影响。 摄影上一般将球差和彗差所引起的模糊现象称为光晕。在绝大多数情况下，轴外点的 光晕比轴上点要大。由于轴外象差的存在，我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高， 至多一致，即两者具有相同的成象缺陷，此时我们称等晕成象。随着相对孔径的增大，球 差和彗差的校正将更加困难，放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那 档光圈渐晕最小，在可能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成象质量。 3、象散 象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成象缺陷的一种象差，仅 与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束 的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的象差，称为象散。子午细光束的会聚点与 孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大小，就是象散的数值。如图l-2-12所示。 由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，即使光圈开得很小，在子午和弧矢 方向均无法同时获得非常清晰的影象。象散的大小仅与视场角有关，而与孔径大小无关。 因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使被摄体处于画面的中心。 4、场曲 当垂直于光轴的物平面经光学系统后不成象在同一象平面内，而在一以光轴为对称的 弯曲表面上，这种成象缺陷称为场曲。场曲也是与孔径无关的一种象差。由于象散的存在， 子午细光束所形成的弯曲象面与弧矢细光束所形成的弯曲象面往往不重合，它们分别称为 子午场曲Xt'和弧矢场曲Xs'，如图1-2-13所示。 用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；而 当调焦至画面四周影象清晰时，画面中央处的影象又开始模糊，无法在平直的象平面上获 得中心与四周都清晰的象。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少 场曲的影响。因为广角镜头的场曲总是比一般镜头大，因此在拍团体照时将被摄体作圆弧 形排列，就是为了提高边缘视场的象质。 5、畸变 畸变是指物体所成的象在形状上的变形。畸变并不影响象的清晰度，只影响物象的相 似性。由于畸变的存在，物空间的一条直线在象方就变成一条曲线，造成象的失真，如图 l-2-14所示。畸变分桶形畸变和枕形畸变两种。畸变与相对孔径无关，仅与镜头的视场有 关。所以在使用广角镜头时要特别注意畸变的影响。 照相机标准镜头常用的光学结构形式 本文简单扼要介绍一般照相机标准镜头经常采用的光学结构形式。 一、单片或双胶合透镜构成的简易镜头 这种简易型镜头由于只采用单片或双胶合透镜构成，因此其象差不可能完善校正， 孔径也很小，只能在强光下使用。但由于此类镜头价格特别低廉，特别是近年来已普 遍使用光学塑料（PMMA）替代光学玻璃，使其制造成本更为降低。因此，目前市场上 的玩具相机、一次性相机大多使用这种简易镜头。 二、三片三组柯克［Cooke］型镜头 早期由三片分离透镜组成的柯克型镜头，如图1-2-17(a)所示，其光阑位于透镜 之间，这种光学结构型式是镜头象差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足 一般普及型相机的要求（镜头等级为2～3级），且价格比较低。近几年来为了适应自 动、袖珍照相机的发展，把通常三片型柯克镜头的光阑由镜头中间移至镜后，使透镜 之间密接紧靠，见图1-2-17(b)。由于光阑后移造成的光焦度失对称，使系统存在有 较大的轴外球差，不得而已只能采取拦光的办法来保证象差，因此相对来说边缘照度 较低，在设计及使用时都需要统筹兼顾。 为进一步降低成本，目前市场上的水货低档照相机大多用光学塑料透镜替代柯克 型三片物镜中的某一片（大多为中间一片），此时其相对孔径只能做到1/4.5左右。 三、天塞［Tessar］型三组四片照相镜头 由柯克型发展起来的天塞型镜头见图1-2-18，它1902年起源于德国的蔡司光学工 厂，最早是由著名光学专家鲁道夫（Rudolof）设计的。它用双胶合透镜组代替了柯 克型镜头的第三片，所以镜头的相对孔径可以大大提高，在中等视场50°～60°情况 下其相对孔径可做到1/3.5～1/2.8。它是目前国内中档或普及型照相机应用得最广的 镜头结构形式。光阑位于第二、第三组之间，构成非对称结构型的正光焦度摄影物镜。 引入的胶合透镜组使物镜的象散和轴外均得到了充分改善，因此特别适合于风景摄影。 四、双高斯物镜及其演变形式 双高斯物镜是在具有较大视场（大约40°左右）的物镜中，相对孔径最先达到F/2 的一种物镜。最初的设计如图1-2-19所示。加入的两个胶合面，使其有可能更好地消 除象差。胶合面两边玻璃的色散尽管不同，但折射率近似相等，因此胶合面的加入对 单色象差影响不大。基本对称的结构有利于彗差、畸变、倍率色差等垂轴象差的校正， 光阑两侧各有一个强凹透镜，有利于球差和象散的校正。 双高斯物镜的复杂化型式，主要是为了增加镜头的相对孔径或者是为了改善镜头 的成象质量。最常见的方法是把前面或者后面的正透镜用两个单正透镜来代替，如图 1-2-19（a）所示。它可以使轴外的视场高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小， 可以在较大的视场情况下获得较高的成象质量。 双高斯物镜的另一类复杂化形式是把前、后厚透镜中的胶合面，用分离曲面代替， 如图1-2-19（b）所示；或者同时把前面或后面的正透镜分成两个，如图1-2-19（C） 所示。 程序快门 根据外界被摄景物的亮度变化和所使用的胶片感光度的不同，按照事先设 计好的光圈和快门速度组合程序，使胶片获得合适曝光量，而且对一种曝光量 只有一种光圈和快门速度组合，这种快门称为程序快门。 一、镜头程序快门 镜头程序快门已与一般镜头快门不同，它的快门叶片兼具光圈叶片的作用。 改变快门速度时，光圈数也随之变化。例如，快门速度为1/8s时，对应的光圈 数为F2.8；而快门速度为1/500s时，光圈数为F22。它们是按固定的程序组合 的。装在平视取景照相机中的程序快门，由于采取光圈叶片和快门叶片合一的 结构，改变了原镜头快门的光圈结构，使快门更简单化。镜头程序快门常采用 平板状结构，便于与现代照相机中自动调焦、自动卷片、内藏闪光灯等功能进 行联动控制。镜头程序快门已作为一个独立的通用部件进行大批量生产，成本 大大降低。 镜头程序快门的工作原理和快门叶片的开启、关闭过程与一般镜头快门截 然不同。镜头快门不论选用哪一档光圈数，快门开启时总是将快门叶片全部开 启到极限位置。不同的光圈仅是光通量不同，快门全曝光时间t1不变。仅因快 门光学有效系数略有变化，使有效曝光时间略有变化。而镜头程序快门是光圈 和速度同时进行变化。如果在光孔尚未全部开足，叶片就关闭（相当于图1-4- 11中ΔAB'E'、ΔAB"E"…），则改变了光圈又改变了快门速度，相当于程序曲 线的AB段。因为在AB段内，叶片未开足光孔，行程缩小，所以程序快门的速度 较高，通常可达1/750s。如果程序快门的光孔已开足，不能再增大，仅靠延长 曝光时间来实现合适曝光，则此时它就相当于一般的镜头快门，如图1-4-11中 的ABCD。它的程序曲线为水平线BC，斜率γ=1。 二、单镜头反光照相机中的程序快门 在单镜头反光照相机中应用CPU实现照相机曝光的多模式控制。在光圈优 先、速度优先的基础上，又增加了程序控制方式，同时实现了光圈和速度二者 同时变化，并在单镜头反光照相机中实行不同的程序变换。有通用程序型（平 均型）、速度重点型（望远型）、景深重点型（广角型）等不同变换模式，相 应有不同的程序曲线和程序斜率γ值，见图1-4-12。 单镜头反光照相机中的程序快门是焦平面快门型式，结构上与自动曝光控 制的电子幕帘和电子钢片快门相同。镜头上的光圈部分，可根据程序特性进行 自动调节控制。光圈与速度的变化同时由CPU根据设计程序进行联动控制。 电子闪光灯的基本工作特性 以太阳光作为自然光源来进行摄影，通常会受到很大的限制，为此摄影科学工 作者研制出了各种摄影用的人工光源。人工闪光光源，大致分为电子闪光灯和闪 光灯泡两类。充氮气的电子闪光灯是应用最广的人工闪光光源。目前小型电子闪 光灯的使用已十分普遍，它不仅被做成一个易携带的单独产品，而且已被内装在 小型照相机中，组成内藏闪光灯照相机。 根据闪光光源从开始点燃到发光结束整个时间内的特性，可将闪光光源分成 Xe、MF、M、FP等种，它们的发光特征见图1-6-1。 目前主要应用的是Xe型电子闪光灯，如图1-6-2所示。Xe型电子闪光灯的光 谱分布与自然白光相近，色温约为5700K，适合于彩色摄影，且发光效率高，这 些特点是Xe型闪光灯获得广泛应用的主要原因。Xe型电子闪光灯管输出的光能量 与输入电能成正比。输入的电能E是由充电主电容C和充电电压所决定，以下式表 示： E=CU*U/2 闪光灯在闪光期间，其输出的发光强度是变化的，其典型曲线，如图1-6-3 所示。 INCLUDEPICTURE "D:\\afeiliu\\carmra\\电子闪光灯的基本工作特性.files\\73-1.gif" \* MERGEFORMATINET 闪光灯闪光达到二分之一峰值强度时至它衰变为同一值时的间隔时间，称为 闪光灯的有效闪光持续时间，通常以符号t0.5表示，如图1-6-3所示。 调焦与测距原理 一、调焦原理 实际照相时，被照物体与照相机的相对距离，每次总是有变化的。由高斯公式 1/l'-1/l=1/f'可知，对于不同的照相距离l，其照相光学系统的象距l'也将随着变 化。为了使不同距离的被摄物体能够正确地成象在焦平面（即胶片平面）上以得到 清晰的影象，必须随时调整镜头与胶片平面之间的距离l'来适应物距l的变化。镜 头的这种调整过程就称为调焦。为了正确地进行调焦，一般在调焦前还要测定出被 摄物体到胶片平面之间的距离，这个过程便称为测距。 二、照相机镜头的调焦方式 照相机镜头的调焦通常采用下述三种方式来进行： (1)改变象距的调焦方式 照相机镜头对无穷远物体对焦时，它成象在镜头的 焦平面上，即l'=f'。当摄影距离缩短成有限距离时，如7m，3m，…(指被摄体到照 相机胶平面之间的距离)，象距l'都会拉长。实际上135照相机的胶片位置是相对不 变的，因此只能将整个镜头向前伸出有限距离x'，此增大量 只有这样才能保证象点正确地落实在胶片平面上，以保持象面的清晰度。这种保持 镜头焦距不变而改变象距的调焦方式又称整组调焦。此增大量x'称调焦量。 这种调焦方式在使用时，只需转动镜头上的调焦环，调焦环上刻有与调焦量对 应的底片与被摄景物之间的距离标尺，调焦环带动镜筒上的多头螺纹，让镜头产生 轴向移动，使镜头的焦点落实在胶片平面上。由于是整组移动镜头，镜片之间的相 对位置固定不变，因此能始终保持镜头的成象质量处于最佳状态。 (2)改变焦距的调焦方式 这种调焦方式是通过移动镜头中某组镜片的轴向位 置，从而稍微变动了镜头的焦距，以使物距变化时能保持象距不变。图1-3-1为前 组调焦示意图，它是最常采用的调焦方法之一。可以前组单片调焦，也可以前组一 齐移动调焦。此外还有采用中组或后组的调焦形式。 这种调焦方式的优点是调焦时整个镜头可保持不动，调焦量小，调焦机构也较 简单。变焦镜头由于镜片多，体积大，整组移动有困难，往往多采用这种方式调焦。 (3)固定焦点方式 目前市场上供应的简易型照相机的镜头位置大多是固定不 变的。即不管物距多少，照相机的镜头与胶片之间的距离始终固定不动，这种调焦 方法称为固定焦点法。尽管这样，由于限制了弥散圆的大小，照相机的拍摄质量也 还是有一定保证，实际上此类照相机是利用“景深”调焦，又称超焦距法。 三、照相机的调焦方法 无论采用何种调焦方式，我们都必须使被摄体的物距l和象距l'满足高斯公式， 只有这样才能在胶片平面上获得清晰的象。通常用下述方法来获得正确的调焦。 1、测距法 这种方法是首先测出被摄体至胶片平面之间的距离，根据调焦方式确定此时的 调焦量，然后再使整个镜头或前组作相应的转动，以使在胶片平面上获得清晰的影 象。 根据测距方式的不同又可分为估测法和三角测量法： (1)估测法 就是摄影者根据目测或步量的形式，首先确定摄影距离，并据此 来转动或调节镜头上的调焦环，使其距离刻度或远景、中景、近景标记与镜头上的 基准标记对准。这种调焦方法用在镜头焦距较短。相对孔径较小的照相机上，可获 得足够清晰的照片。 (2)三角测量法 就是利用数学中的三角关系来进行测距、调焦。主要应用于 带测距器的照相机中，这种照相机的测距和调焦是联动的，只要使取景器中的双象 重合，测距和调焦即告完成。这种方法可以使镜头得到准确的调焦，从而保证底片 上影象的清晰度。此方法常用在带有逆伽利略式取景器的照相机上。 三角测量法的工作原理，如1-3-2所示。当物体在无穷远(∞)时，进入反射镜3 的光线与取景系统光轴是平行的，此时光线经反射镜3、半透镜5和目镜4进入眼瞳 后，其影象与取景器所成的影象是重合的。当物体处于有限距离时，物体进入反射 镜3的光线与取景系统光轴不平行，此时光线经反射镜3、半透镜5和目镜4进入眼瞳 后，其影象与取景器所成的影象不重合，在观察时就出现两个影象。只有使反射镜 3摆动一个角度θ才能使影象重合。设此时物体对基线上A、B两点之夹角为α，这 样就可得出 l＝b/tgα，α＝2θ 当基线b一定时，即可根据反射镜3摆动角度θ，测出物体距照相机的距离l。 (3)视差 由于旁轴取景器的取景光轴位于摄影镜头光轴的旁侧，故视界范围 有所偏移，如图1-3-3所示，因此有视差存在。 设取景器光轴与摄影镜头光轴相距为v。当对物距l的物平面摄影时，在胶片上 的成象范围为 TT'，而取景范围却是SS'。此时取景光轴上的点P通过摄影镜头成象， 其象点不在胶片中心O，而是偏离一个距离ε，ε称为视差量。 由相似三角形关系，有 ε/v=l'/l， ε=l'v/l 又由几何光学可知 1/l+1/l'=1/f' 于是可有 ε=vf'/(l-f') 式中，v与f'为结构常数，因此视差量ε随物距l而变化。l越大，视差就越小。 当对无限远处调焦时，l-> ∞，由视差ε->0。 2、聚焦检测法 这种方法是通过人眼观察象面或对焦板上的影象是否清晰来判断聚焦是否合适 的方法。它又分为对比法和裂象法。 (1)对比法 当我们观察一个景物的轮廓时，影象轮廓边缘越清晰，则它的亮 度梯度就越大，或者说景物边缘处与它的背景之间的对比度就越大。反之，离焦的 象，它的轮廓边缘就模糊不清，亮度梯度或对比度就下降。如毛玻璃对焦板就是采 用这种方法，如图1-3-4所示。图中(1)是微圆锥毛玻璃调焦，(2)是普通磨砂毛玻 璃调焦。图(a)是焦点和象面重合时的情况，图(b)是焦点偏离象面较小的情况，图 (c)是焦点偏离象面较大的情况。 (2)裂象法 在对焦板位置上放置裂象光楔或微棱镜，当焦点正好位于裂象光 楔的交点上或微棱镜的顶点上的时候，我们看到的只是一个清晰的象点；当焦点偏 离上述位置时，通过裂象光楔看到的是两个分开的象，而通过微棱镜看到的则是许 许多多分开的象，造成一种影象模糊的感觉。用裂象光楔和微棱镜对焦板对焦就是 根据这个原理进行的。 因为对焦平面与胶片平面完全共轭，人们只需通过眼睛来观察相当于胶片成象 平面的对焦屏。只要对焦屏上的裂象重合和微棱区影象是清晰的，则胶片平面上的 象必然清晰；反之亦然。 对焦屏可以做成不同的结构形式，如毛玻璃表面状、微圆锥面状、微棱镜状、 带裂象光楔的、带环带透镜的，等等。 聚焦检测的调焦方法主要应用于单镜头反光照相机上。 焦平面快门 焦平面快门安装在紧靠照相机胶片前的位置上，即在照相镜头的视场光阑附近。 焦平面快门有两组起遮光作用的前帘和后帘。快门上弦时，前后帘有一部分相互重 叠在胶片前通过，不会使胶片曝光。快门释放时，前后帘之间形成一定的缝隙，此 缝隙以一定的速度在胶片前面走过，使胶片逐次进行曝光。缝隙的宽窄可以调节， 以实现不同的曝光时间。 一、焦平面快门的结构形式 按运动方向分，有横走式和纵走式两种；按幕帘的材料分，有幕帘式和钢片式 两种。横走式焦平面快门，其前帘和后帘在胶片36mm方向作左右运动，快门前帘和 后帘通常采用已喷涂过橡胶的具有遮光特性的合成纤维或绢丝织物制成（只有极少 数横走式焦平面快门采用薄金属片制作前帘和后帘），通常称为幕帘快门。纵走式 焦平面快门，其前帘和后帘在胶片24mm方向作上下运动，以前大多用平板状钢片制 作，近几年又逐步改用塑料薄片制作，通常称为钢片快门。图1-4-6为钢片快门的 大致构造。 1、幕帘快门 幕帘快门通俗也称为卷筒型快门。基本型式有莱卡型的三轴式和爱克赛太型的 四轴式（德国名牌机）。图1-4-7和图1-4-8分别表示它们的大致构造。在镜头互换、 测距连动式照相机全盛时期，大部分照相机采用三轴式。相反，单镜头反光照相机 一般使用四轴式。 三轮式结构简单，前幕帘筒和后幕帘筒共轴，前幕帘筒轴还兼快门速度调节轴 的功能。由于调节轴必须进行有关快门动作的全部控制，所以旋转范围要控制在一 圈以内。因此，前幕帘筒、后幕帘筒的直径在上述旋转角情况下旋转周长必须超过 幕帘的行程。 图1-4-6 钢片快门 1、3—前帘；2、5—后帘；4—垫片 INCLUDEPICTURE "D:\\afeiliu\\carmra\\焦平面快门.files\\54.gif" \* MERGEFORMATINET 四轮式幕帘快门将前、后幕帘筒分为两个轴，通过齿轮减小旋转角并设定调速 轴。作为快门这一单独部件，三轴式零件少，利用率高。但从提高幕帘速度出发， 采用四轴式有利。这也不是绝对的，若把实际惯性矩、主动弹簧轴以及零件数、轴 承摩擦等综合考虑的话，可以说性能价值比还是三轴式好。国外美能达照相机和雅 西卡/康太克斯RTS照相机均采用这种快门。 2、钢片块门 早期纵走式快门，幕帘采用细小金属片钩组成卷帘结构。由于结构复杂、工艺 性差、成本高，已逐渐淘汰。60年代开始采用钢片型式，它用几片金属片和操作杆 组成两组平行四边形四连杆机构，并可形成一定的运动狭缝，这种快门通常就叫钢 片快门。 下面再来一下钢片快门的特点： （l）钢片快门机构是一个完整的组件，可以进行专业化生产，有利于提高质 量，降低成本。 （2）钢片快门叶片由于采用高碳钢材和可靠的耐高、低温的塑料带，具有耐 久、耐热、耐寒等性能。 （3）叶片的运动速度快（走完24mm约6.5～8ms），在高速度档时缝隙宽度较 大（1/1000s时，缝隙宽度约为3～3.5mm），所以曝光时间稳定，曝光的不均匀性 小。 （4）由于叶片是上下运动的，在1/125s档时，叶片已全开画幅，所以X闪光 同步可达到1/100s或1/125s。 （5）在单镜头反光照相机上应用时，可以方便地与反光镜快速返回机构联动。 （6）可内藏自拍机（机械型钢片快门）。 （7）MFC和MFE系列快门将纯机械控制的钢片快门发展为电子控制方式后，去 除了机械慢门和自拍，由继电器控制后帘释放时间和前、后帘释放时间，实现钢 片快门的电子自拍和实现钢片快门自动曝光控制。 （8）有利于小型化。 钢片快门还有一个突出的优点是有效曝光时间可以更短，现已达到1/4000s、 1/8000s和1/12000s。并可以单独进行专业生产，这个优点是布帘快门所望尘莫及 的。 缺点是：动量和冲击较大，使得照相机拍摄时声音大、抖动量大。 二、焦平面快门的工作特性 焦平面快门通常装在紧靠照相机胶片前面，一般由两个幕帘组成。快门上弦 时，前、后帘有一部分互相重叠不漏光由一端拉向另一端，这时与前、后帘相连 接的开放和关闭动力弹簧同时被上紧，储藏能量。当快门打开时，前帘首先开始 开启运动，而后帘仍被钩住。根据所选的快门曝光时间，使前、后帘之间形成该 曝光时间所需的合适的缝隙c，缝隙c以一定速度在胶片前面通过，使胶片逐步曝 光。动作结束后，前、后帘互相叠合，准备下一次上弦再曝光。焦平面快门的曝 光情况见图1-4-9。 焦平面快门的曝光时间由前、后帘间缝隙c的宽度和帘速v所决定，改变这两 个参数就可以改变快门的曝光时间。现在都采用改变缝隙c来得到不同的曝光时 间，改变帘速将引起结构复杂，动作可靠性差，已不采用。增大缝隙c使曝光时 间延长，可提高光学有效系数，这对提高快门的工作性能是有利的。 由于幕帘运动是以弹簧作为原动力来驱动的，它的速度值按照抛物线规律而 变化。运动开始时速度较慢，以二次方规律增加。为使整个画面能得到均匀一致 的曝光量，在结构设计上使缝隙的实际宽度，在经过象面开始端时狭些，随着移 动缝隙逐渐变宽，使画面各点曝光量趋向一致。 焦平面快门是使胶片逐段曝光的。现分析画面上的任意一点的曝光情况，当 使用镜头某一档光圈值时，任一点P从曝光开始到曝光结束的时间，即为焦平面 快门的全曝光时间t1。它是由通过P点的缝隙速度和宽度，以及胶片平面到缝隙 平面的平均距离所决定的。如图1-4-9所示任意点P的全曝光时间由下式表示： t1=(c+D')/v 因为 D':D=d:f' 所以 t1=(c+Dd/f')/v 式中：c——焦平面快门的缝隙； d——快门运动平面与象平面的平均距离； D/f'——物镜的相对孔径； v ——P点位置幕帘缝隙的运动速度，也就是前、后帘运动的平均速度； D'——物镜某光圈值时，投影光束在幕帘平面上的投影光束截面直径。 焦平面快门的曝光过程见图1-4-10。在前帘运动到光束D'的a点时，P点开 始曝光，直到后帘运动到光束D'的e点时，P点才结束曝光，所以P点上全曝光 的时间t1将以C＋D'计算。从图1-4-10中的（l）可以看出，当前帘运动到a点 时，胶片P点开始曝光，但光束不能充分利用，存在光能量的损失，直到前幕 帘到e点，而且缝隙c大于D'时，光束才能被充分利用，如图1-4-10中的（3） 所示。后帘运动过a点，开始逐渐遮挡光束，如图1-4-10中的（4），直到到达 e点时，P点曝光结束，如图1-4-10中的（6）所示。 这种通光量的损失与镜头快门一样，可以光学有效系数来表达。设有一个 理想快门，其幕帘安装在胶片平面上，即d=0，其画面上任一点的曝光时间(即 为实际快门的有效曝光时间) te=c/v 照相机行业规定取焦平面快门画面中央一点的有效曝光时间称为焦平面快 门的曝光时间T，即T=c/v。 焦平面快门的有效曝光时间与镜头快门不同之处是与镜头的F值无关。 同镜头快门一样的是把焦平面快门的有效曝光时间与全曝光时间之比称为 焦平面快门的光学有效系数η，则 η=(te/t1)*100%=(c/(c+Dd/f))*100%=(1/(1+d/Fc))*100% 镜头快门 镜头快门安置在照相镜头孔径光阑附近，其尺寸最小。根据安置位置不同，镜 头快门可分为镜前快门、镜间快门和镜后快门。 镜前快门：安置在照相镜头前的光路上，由于快门露在镜头外，易脏、易变形、 易发生故障，目前在35mm照相机中已不使用。 镜间快门：快门叶片开启孔径位置与孔径光阑位置非常接近，快门开启时整个 画面同时获得曝光，而且不会产生耀斑。这种快门结构较合理，因此得到广泛应用。 镜间快门主要有勃朗特和康柏两种型式。 镜后快门：快门的开启孔径位于镜头的后方，一般做成平板结构装在机身上， 调焦时快门木前后移动，便于和照相机其他功能配合，有利于照相机向小型化和多 功能发展。 一、镜头快门的工作特性 不论是勃朗特型还是康柏型镜间快门，不论是单片快门还是五片快门，从叶片 开启光孔到全开，或从全开到全闭，尽管运动构件的运动都是极快的，但总需要有 一定的时间，开启和关闭光孔存在一个渐开渐闭的过程。图1-4-1表示了五片叶片 镜间快门的开、闭过程，先开启光孔中心部分，逐渐使光孔开到最大，经过一定的 全开时间t2后，再由边缘向中心逐渐关闭。快门叶片从开始开启光孔到完全关闭光 孔的整个时间，也就是镜头快门使胶片开始曝光到结束曝光的时间，称为全曝光时 间t1。t2与镜头F数有关。 图1-4-1 镜头快门曝光时间的开、闭过程 快门在开启和关闭光孔的过程中，光孔一部分开启，一部分仍被叶片所遮挡， 光孔在这过程中只有部分通光，造成透光损失。这种光量损失用快门的光学有效系 数η来表示。 如果快门是一个理想的快门，此快门的开启与关闭光孔的过程是无时间量的， 在全曝光时间t1内没有光通量损失，则η=100%。但实际快门与理想快门相差甚远， 用到达胶片平面的光能量为依据来比较，如果实际快门在全曝光时间(t1)内通过的 光通量等于理想快门在曝光时间（te）内通过的光通量，则我们称te为实际快门的 有效曝光时间，显然te＜t1。由此可得出镜头快门的光学有效系数η为 η=te/t1*100% 式中te为最大镜头孔径时，t1与t2的平均值可近似表达为 te=(t1+t2)/2 二、结构形式 镜头快门的结构形式很多，但主要有两种：镜筒型结构和平板型结构。 镜筒型结构是将快门叶片、传动机构、动力弹簧、慢门机、闪光联动机构、自 拍机等与照相镜头的光学镜片装在一个主体内。因此，结构复杂，与机身之间的功 能联接困难，不适应照相机向小型、多功能、电子和自动化发展。 平板型结构可克服镜筒型快门的缺点，适应快门和机身间信号传递和联动要求。 镜头调焦时，快门不作前后移动。 镜头快门如果以快门叶片数量来分可分为： (1)单片式快门 快门只由一片叶片开启和关闭光孔，如图1-4-2所示。快门 速度只有一档，通常在1/1000s左右。快门光学有效系数较低，仅用于简易型相机。 单片快门结构简单、可靠性好。 图1-4-2 单片式快门 (2)双片式快门 由两片快门叶片开启和关闭光孔，如图1-4-3所示。由于快 门叶片要双方向上运动，转动惯量大，快门速度提高有困难。一般最短曝光时间> 1/300s，常用的有达1/200s，可以按1/125s，l/60s，1/30s来调速和闪光联动。 双片式快门目前主要用于程序快门，快门叶片还兼作光阑叶片，快门均采用平板 型结构。 图1-4-3 双片式快门 (3)三片式快门 由三张快门叶片同时开启、关闭光孔，如图1-4-4所示。快 门最短曝光时间一般为1/200s，可调速为1/125s，1/60s，1/30s，1/15s和X闪光 联动。早期进口和国产的折合式120相机大多采用这种快门。 图1-4-4 三片式快门 图1-4-5 五片式快门 (4)五片式快门 由五片快门叶片同时开启、关闭光孔，是镜筒式镜头快门 采用最广泛的型式。代表结构主要有勃朗特型和同步康柏型两类。 勃朗特型镜间快门的主动部分主要有主动弹簧盘、小拉钩、主动环和叶片(五 张)四个环节所组成，见图1-4-5。结构较简单、工艺性好、制造成本较低，得到 广泛应用。 康柏型快门在50年代中采用新的同步康柏型结构，光圈和速度值来用等值、 等间隔分布，有利于自动曝光控制，而最短曝光时间可达1/500s，具有M和X两种 闪光同步结构。快门主动部分由主动弹簧盘、主动环、叶片（五张）三个环节组 成，具有较高的快门光学有效系数。但由于结构复杂，零件工艺性差和材料昂贵 及成本高的原因，照相机很少采用这种快门。早期德国进口听蔡斯依康折合照相 机大多采用这种快门。 曝光参数方程式和APEX系统 照相机象平面上得到的平均曝光量Hf。等于象平面上的平均照度E和快门有效 曝光时间T的乘积，即 Hf＝ET 象平面上的平均照度E可以表示为 E=qL(D/f')*(D/f')=qL/A*A 式中：q——照相机成象系统特性系数，按美国标准PH3.49-1971，q=0.65； L——物体亮度，单位为cd/m2； A——照相镜头的F数。 胶片的最佳曝光量Hg可用下式表示： Hg=P/S 式中：P——胶片合适曝光系数（对于黑白胶片P=8，对于彩色反转片和彩色负片 P=10）； S——以ISO表示的感光度。 为了使胶片曝光正确，必须使Hf=Hg，即 qLT/(A*A)=P/S 整理后得 A*A/T=LS/(P/q)=LS/K 上式即为国际上通用的照相机曝光参数方程式。 式中，K=P/q，称为照相机曝光常数。 A=F=f'/D,在APEX系统中，设A为光圈数。 但是，在实际应用中，上述曝光参数方程式的使用十分繁琐和不便，而且不 够直观。于是在美国标准和中国国家标准中，将它进行了变换，将曝光参数方程 式表示为以2为底的指数形式，即 此式以加法形式来表达曝光参数方程式，故称为加法系统，即APEX系统。AV， TV，BV，SV各值在数量上变化1，则相当原来曝光参数A，T，S，L变化一倍。式 中，EV称为曝光值，它并不是代表被摄物体的亮度，不是亮度单位，它只表示镜 头光圈和快门有效曝光时间的某一种组合，它是曝光单位。它也不代表胶片的曝 光量，只表示为使胶片得到合适的曝光量、镜头光圈和快门有效曝光时间合适组 合时的对应控制量值。 照相机曝光参数方程式中的参数与APEX系统中参数的转换关系，以及曝光值 EV与上述各参数的关系，见图1-5-1和图1-5-2。 INCLUDEPICTURE "D:\\afeiliu\\carmra\\曝光参数方程式和APEX系统.files\\63-1.gif" \* MERGEFORMATINET 在图1-5-1中，纵坐标表示物体亮度L（cd/m2)、亮度值BV及其换算关系，如L =1024cd/m2时，BV=8；横坐标表示胶片ISO感光度S、ISO速度值SV及其换算关系， 如胶片ISO感光度S=100时，SV=5；粗斜线上端标注的数字是EV值，如本例，BV=8， SV=5，则EV=BV+SV=13，因此，BV和SV两个坐标相交于EV=13的粗斜线上。 图1-5-2中，纵坐标表示快门有效曝光时间T（s）、时间值TV及其换算关系， 如T=1/125（s）时，TV=7；横坐标表示镜头光圈数A（即F数）、光圈值 AV及其换 算关系，如A=8时，AV=6；粗斜线上端标注的也是EV值。在本例中，TV=7，AV=6， 则EV=TV+AV=13，因此，TV、AV两个坐标也相交于EV=13的粗斜线上。 正确曝光时，由BV和SV求出的EV值，应与由TV和AV求出的EV值相等。在上述 的例子中，两者的EV值相等，可以保证胶片正确曝光，但不是唯一的组合。若保 持上例中的BV、SV不变，改变快门有效曝光时间T（即改变TV值）和镜头光圈数A （即改变AV值），但使EV=TV+AV仍为13，如使T=1/64（s），TV=6和A=11，AV=7， 则仍可得到正确曝光。 景器的功能及分类 人们在摄影时，为了选取被摄景物的范围就要取景。照相机上用来显示相当于照 相胶片成象范围的观察装置就称做取景器。它是一个简单的光学系统，用它来确定 拍摄范围和进行画面布局。 现代照相机的取景器往往还包含有： (1)调焦、测距系统。 (2)能显示摄影时所必要的信息，如快门速度；光圈、曝光是否合适的预示信号； 闪光灯充电信号等。 (3)配置能控制曝光的测光系统。 一个好的照相机取景器在目视观察时，其视场轮廓与影象应清晰、明亮；影象 应为大小适当的正象；没有空间视差和时间视差；没有光晕、重影和幻影；尤其应 该消除畸变；能正确地调焦、测距；能判断胶片的景深范围；能向观察者提供摄影 时必要的信息等。 取景器的结构型式很多，分类方法也各不相同。按照取景光轴与摄影光轴是否 重合，可分为同轴式取景器和旁轴式取景器；按照所成象的虚实，可分为实象式取 景器和虚象式取景器；按照实际结构，可分为框式取景器、牛顿式取景器、逆伽利 略取景器、开普勒取景器、阿尔巴达取景器等。 目前市场上的35mm照相机的取景器大多采用旁轴平视式和单镜头反光取景同轴 式两种形式。 闪光灯的工作原理 一、普通型闪光灯的基本工作电路 普通型闪光灯是指闪光输出的能量是不可调的闪光灯，即闪光灯的标称闪光指 数GN为一恒定值。其基本工作电路见图1-6-7。 电路由四部分组成：振荡升压部分、整流充电部分、电压指示部分和脉冲触发 闪光部分。 当电源接通后，利用晶体管V1的开关特性，形成一个间歇振荡，使T1的初级获 得一个交变电压，经T1升压，使其次级获得大于300V的交变电压。交变电压经二极 管D1半波整流后变成直流电压，对主电容C2和触发电容C3充电储能。当电压充至额 定电压的70%左右时，指示电路中的氖灯（Ne）起辉，指示闪光灯处于正常闪光等 待状态。当按下按钮AN，触发电路（由R3、C3、T2和Xe组成）产生脉冲电压，在T2 的次级感应出瞬间高压（约10kV）脉冲，通过Xe闪光管的触发极使Xe闪光管内氮气 电离并导通，电容C2上储存的电能瞬间通过闪光灯管放电转化为光能，完成一次闪 光。 照相机中的内藏闪光灯的工作原理同上。当外界景物的亮度不足时，照相机的 测光系统便发出一个低照信息，此时用手动方式或由照相机自动接通闪光电路进行 充电和闪光。有的照相机还具有自动控制闪光量的系统（自动调光闪光灯），以获 得更准确的曝光。 二、自动调光式闪光灯的工作原理 自动调光式闪光灯的控制框图，见图1-6-8。 闪光灯充足电后，照相机上的闪光同步触点接通闪光电路。在闪光灯发光期间， 光从闪光灯发出照射到被摄物体上，从被摄物体反射回来进入照相机（进行曝光） 和闪光测光元件上。此测光元件很快将光能量变换成电信号输入积分电路，再由积 分电路输出一个与闪光光量值成正比的电信号；当闪光光量值达到合适曝光量的要 求时，积分电路的输出电信号便使控制电路触发闪光停止电路，从而使闪光灯熄灭。 由于闪光灯的持续闪光时间是很短的，要对它进行调光，所用的闪光测光元件 必须是具有快速响应能力的光敏元件。 自动调光闪光灯的控制方式按其电路结构不同，可分为并联式和串联式两种。 并联控制方式其原理见图1-6-9。在主闪光灯管Xe的两端并联一个泄放管V。主 闪光灯管的点燃工作电路与普通型的线路相同。当主闪光灯的发光量达到某个基准 值时，通过测光元件接收，积分电路和控制电路触发泄放管将主控制方式中尚未泄 放的能量立即泄放，使主闪光管熄灭。 并联式自动调光闪光灯的电路结构简单，价格低，应用较多。但因它每次都将 主电容未放完的剩余能量全部泄放完，所以再充电时间长，电池的消耗大。 串联控制方式是将半导体开关元件晶闸管整流器SCR与主闪光灯串联在在一起， 见图1-6-10。当主闪光灯管输出的光量达到合适曝光的要求时，晶闸管整流器SCR 自动切断放电回路，使主闪光灯管立即熄灭，实现自动调光控制。 串联控制方式的优点是主电容器中剩余的能量仍保存着，因而可以缩短再充电 的时间，电池的消耗也相应减少，有利于快速连闪和循环使用。缺点是电路比较复 杂，成本较高。 闪光指数 闪光同步 闪光指数是表示闪光灯性能的一个主要的参数，用GN表示。按照国际标准和我 国国家标准，其定义是：当照相机内的胶片得到合适的曝光量时，照相镜头的F数 与闪光灯到被摄体之间的距离L的乘积，称为闪光指数，即 GN=FL 若L以米为单位，则此时的闪光指数称为米指数。知道了闪光指数GN，在闪光 摄影时，就可以根据被摄体的距离L来确定照相镜头的F数，或根据照相镜头的F数 来确定闪光的有效距离L（被摄体的距离）。 在闪光摄影时，应保证闪光的能量得到充分的利用，这样就有一个"闪光同步" 问题。闪光同步就是使闪光峰值和快门全开在时间上相互一致。为求得同步，通常 在照相机的快门上装有闪光同步机构，控制闪光触点的闭合时刻，使闪光峰值与快 门的全开状态相配合。由于各种闪光灯泡（管）达到峰值的时间不一，闪光持续时 间也不同，因此相对快门全开状态来说，各种闪光灯泡（管）的闪光触点闭合时刻 是不同的。又由于镜头快门和焦平面快门的工作性质不同，镜头快门处于照相镜头 孔径光阑附近，快门工作时胶片画面上各点同时获得曝光，焦平面快门处于照相镜 头视场光阑附近，胶片画面上各点不是同时获得曝光，而是依次曝光。所以，闪光 触点的闭合时刻也因快门种类不同而异。 镜头快门的闪光同步，见图1-6-4所示。 X型电子闪光灯：闪光触点闭合时刻应位于图中所示的B