照相机的原理

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照相机成像原理和构造

光博会后看到照相机后的观后感，了解照相机原理及构造，以下资料来自

专业人士介绍以及所学工程光学教材知识。

照相机的镜头是一个凸透镜，来自物体的光经过凸透镜后，在胶卷上形

成一个缩小、倒立的实像。

胶卷上涂着一层感光物质，它能把这个像记录下来，经过显影、定影后

成为底片，用底片洗印就得到相片。

照相时，物体离照相机镜头比较远，像是倒立、缩小的。

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照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物

镜)和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经

冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像,这种技术称为摄影术。

最早的照相机结构十分简单，仅包括暗箱、镜头和感光材料。现代照相机比

较复杂，具有镜头、光圈、快门、测距、取景、测光、输片、计数、自拍等系统，

是一种结合光学、精密机械、电子技术和化学等技术的复杂产品。1550

年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于原来的针孔位置上，映像的效果比暗箱更

为明亮清晰；1558年，意大利的巴尔巴罗又在卡尔达诺的装置上加上光圈，使

成像清晰度大为提高；1665年，德国僧侣约翰章设计制作了一种小型的可携带

的单镜头反光映像暗箱，因为当时没有感光材料，这种暗箱只能用于绘画。

1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世界上第一张照片，但

成像不太清晰，而且需要八个小时的曝光。1826年，他又在涂有感光性沥青的

锡基底版上，通过暗箱拍摄了一张照片。

1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，它是由

两个木箱组成，把一个木箱插入另一个木箱中进行调焦，用镜头盖作为快门，来

控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像。

1860年，英国的萨顿设计出带有可转动的反光镜取景器的原始的单

镜头反光照相机；1862年，法国的德特里把两只照相机叠在一起，一只取景，

一只照相，构成了双镜头照相机的原始形式；1880年，英国的贝克制成了双镜

头的反光照相机。

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随着感光材料的发展，1871年，出现了用溴化银感光材料涂制的干

版，1884年，又出现了用硝酸纤维(赛璐珞)做基片的胶卷。

随着放大技术和微粒胶卷的出现，镜头的质量也相应地提高了。1902

年，德国的鲁道夫利用赛得尔于1855年建立的三级像差理论，和1881年阿贝

研究成功的高折射率低色散光学玻璃，制成了著名的“天塞”镜头，由于各种

像差的降低，使得成像质量大为提高。在此基础上，1913年德国的巴纳克设计

制作了使用底片上打有小孔的、35毫米胶卷的小型莱卡照相机。

不过这一时期的35毫米照相机均采用不带测距器的透视式取景器。

1930年制成彩色胶卷；1931年，德国的康泰克斯照相机已装有运用三角测距原

理的双像重合测距器，提高了调焦准确度，并首先采用了铝合金压铸的机身帘

快门。

1935年，德国出现了埃克萨克图单镜头反光照相机，使调焦和更换镜头更

加方便。为了使照相机曝光准确，1938年柯达照相机开始装用硒光电池曝光表。

1947年，德国开始生产康泰克斯S型屋脊五棱镜单镜头反光照相机，使取景器

的像左右不再颠倒，并将俯视改为平视调焦和取景，使摄影更为方便。

1956年，联邦德国首先制成自动控制曝光量的电眼照相机；1960

年以后,照相机开始采用了电子技术，出现了多种自动曝光形式和电子程序快门；

1975年以后，照相机的操作开始实现自动化。

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任何一种分类方法都不能包括所有的照相机，对某一照相机又可分为若干

类别，例如135照相机按其取景、快门、测光、输片、曝光、闪光灯、调焦、

自拍等方式的不同，就构成一个复杂的型谱。

照相机利用光的直线传播性质和光的折射与反射规律，以光子为载体，把某

一瞬间的被摄景物的光信息量，以能量方式经照相镜头传递给感光材料，最终成

为可视的影像。

照相机的光学成像系统是按照几何光学原理设计的，并通过镜头，把景物影

像通过光线的直线传播、折射或反射准确地聚焦在像平面上。

摄影时，必须控制合适的曝光量，也就是控制到达感光材料上的合适的光子

量。因为银盐感光材料接收光子量的多少有一限定范围，光子量过少形不成潜影

核，光子量过多形成过曝，图像又不能分辨。照相机是用光圈改变镜头通光口

径大小，来控制单位时间到达感光材料的光子量，同时用改变快门的开闭时间来

制曝光时间的长短。

从完成摄影的功能来说，照相机大致要具备成像、曝光和辅助三大结构系统。

成像系统包括成像镜头、测距调焦、取景系统、附加透镜、滤光镜、效果镜等；

曝光系统包括快门机构、光圈机构、测光系统、闪光系统、自拍机构等；辅助

系统包括卷片机构、计数机构、倒片机构等。

镜头是用以成像的光学系统，由一系列光学镜片和镜筒所组成，每个镜头都

有焦距和相对口径两个特征数据；取景器是用来选取景物和构图的装置，通过取

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景器看到的景物，凡能落在画面框内的部分，均能拍摄在胶片上；测距器可以

测量出景物的距离，它常与取景器组合在一起，通过连动机构可将测距和镜头调

焦联系起来，在测距的同时完成调焦。

光学透视或单镜头反光式取景测距器都须手动操作，并用肉眼判断。此外还

有光电测距、声纳测距、红外线测距等方法，可免除手动操作，又能避免肉眼判

断带来的误差，以实现自动测距。

快门是控制曝光量的主要部件，最常见的快门有镜头快门和焦平面快门两

类。镜头快门是由一组很薄的金属叶片组成，在主弹簧的作用下，连杆和拨圈的

动作使叶片迅速地开启和关闭；焦平面快门是由两组部分重叠的帘幕(前帘和后

帘)构成，装在焦平面前方附近。两帘幕按先后次序启动，以便形成一个缝隙。

缝隙在胶片前方扫过，以实现曝光。

光圈是限制光束通过的机构，装在镜头中间或后方。光圈能改变能光口径，

并与快门一起控制曝量。常见的光圈有连续可变式和非连续可变式两种。

光圈是限制光束通过的机构，表达光圈大小我们是用F值。光圈F值=镜

头的焦距/镜头口径的直径，从以上的公式可知要达到相同的光圈F值，长焦距

镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。完整的光圈值系列如下：F1，F1.4，F2，

F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。

这里值得一题的是光圈F值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且

上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一

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倍，我们也说光圈开大了一级。简而言之，光圈值越大光圈越小，光圈值越小，

光圈越大。记住光圈值中的数字是在分母上的，比如F8其实是F/8，分母越大

数值越小。

光圈的作用有三点：

1、控制进光量：由于光圈控制镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，

需要使用大光圈镜头，一获得更多的光量；而在明亮的场合，则使用小光圈不至

于曝光过度。

2、控制景深：光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控

制拍摄画面的景深。

3、控制像质：由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的

像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。

这里需要注意的是：光圈系数越小，在同一时间内的进光量则越多，且后一

个数值的进光量是前面一个的一半，而前一个数值的进光量则是后面一个的两

倍，比如f/5.6的进光量是f/4的一半，但同时却是f/8的两倍。对于消费型数码

相机而言，光圈系数常常介于f/2.8~f/16之间.

快门

光圈的作用有三点：

1、控制进光量：由于光圈控制镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，

需要使用大光圈镜头，一获得更多的光量；而在明亮的场合，则使用小光圈不至

于曝光过度。

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2、控制景深：光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控

制拍摄画面的景深。

3、控制像质：由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的

像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。

这里需要注意的是：光圈系数越小，在同一时间内的进光量则越多，且后一

个数值的进光量是前面一个的一半，而前一个数值的进光量则是后面一个的两

倍，比如f/5.6的进光量是f/4的一半，但同时却是f/8的两倍。对于消费型数码

相机而言，光圈系数常常介于f/2.8~f/16之间.快门的速度，由金属叶片的开放时

间来决定。快门速度每向上或向下跳一格，暴光量加倍或减半。快门英文名称为

Shutter，所以在我们单反相机模式旋钮上S表示快门优先。快门是相机上控制

感光片有效曝光时间的一种装置。

快门的工作原理是这样的，为了保护相机内的感光器件，不至于曝光，快门

总是关闭的；拍摄时,调整好快门速度后，只要按住照相机的快门释放钮(也就是

拍照的按钮),在快门开启与闭合的间隙间,让通过摄影镜头的光线,使照相机内的

感光片获得正确的曝光，光穿过快门进入感光器件，写入记忆卡。

快门通常必须具备以下几个方面的作用：

一是必须具备有能够准确调控曝光时间的作用，这一点是照相机快门的

最基本的作用；

二是必须具备有足够高的快门速度，以利于拍摄高速动动全或有效控制

景深；

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三是必须具有长时间曝光的作用，即应设有“T”门或"B"门；

四是具有闪光同步拍摄的功能；

五是具有自拍的功能，以便于自拍或在无快门线的情况下进行长时间曝

光时，使快门开启。

快门速度快门速度是数码相机快门的重要考察参数，各个不同型号的

数码相机的快门速度是完全不一样的，因此在使用某个型号的数码相机来拍摄景

物时，一定要先了解其快门的速度，因为按快门时只有考虑了快门的启动时间，

并且掌握好快门的释放时机，才能捕捉到生动的画面。

通常普通数码相机的快门大多在1/1000秒之内，基本上可以应付大多数的

日常拍摄。快门不单要看“快”还要看“慢”，就是快门的延迟，比如有的数码

相机最长具有16秒的快门，用来拍夜景足够了，主流的数码相机除了具有自动

拍摄模式外，还必须具有光圈优先模式、快门优先模式。光圈优先模式就是由用

户决定光圈的大小，然后相机根据环境光线和曝光设置等情况计算出光进入的多

少，这种模式比较适合照静止物体。而快门优先模式，就是由用户决定快门的速

度，然后数码相机根据环境计算出合适的光圈大小来。所以，快门优先模式就比

较适合拍摄移动的物体，特别是数码相机对震动是很敏感的，在曝光过程中即使

轻微地晃动相机都会产生模糊的照片，在实用长焦距时这种情况更明显。在选购

数码相机时，你最好选购具有这几种模式的机型以保证拍摄的效果。

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光电信息工程专业在我国的社会地位不言而喻，虽然我国光电信息工程专业

具有乐观的发展现状，但是我国光电信息工程专业依然存在着许多的问题。这些

问题若得不到合理的解决，那么这些问题最终将会成为我国光电信息技术产业发

展的强大阻力。与光电信息工程专业相关的行业的发展现状是极其乐观的，光电

信息技术逐渐走进了人们的生活，同时也在社会的各个方面发挥着重要的作用。

光电信息技术在我国具有广阔的发展方向，这些发展方向都需要我国先进的光电

信息技术，所以，我国必须加强光电信息技术的发展，逐渐缩短与发达国家的差

距，达到世界先进一流的光电信息技术水平。随着21世纪信息技术的发展，光

子学及其技术已经成为影响整个科学技术领域和所有生产制造业的关键技术之

一。光电信息技术将会成为未来信息技术产业的核心，是未来信息技术产业的顶

梁柱。光电信息技术将成为未来全国乃至全世界科学技术的发展重点，而且其具

备市场可观、发展潜力巨大的特点。所以，光电信息技术产业将会成为未来我国

信息技术产业的核心发展内容，将会引领时代潮流，在我国得到充分地发展。而

且我们现在就在武汉，靠近东湖新区，东湖高新区被国务院批准为继北京中关村

之后第二个国家自主创新示范区，东湖高新区的发展上升为国家战略。经过二十

多年的发展，东湖高新区成长起光谷生物城、未来科技城、光谷软件园等一批知

名高新技术园区，聚集了20000多家企业，其中世界500强企业40多家，上市

公司30家，主要经济指标保持了29%以上增幅，成为全国创新活力最强，经济

增长最快的区域之一。为加快实现“聚全球资源，做世界光谷”的目标，为建设国

家自主创新示范区提供坚实的人才保障。并且光博会有好多企业正好来自于东湖

新区，这对我们来说是一个天大的机会与优势。

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因此，经过光博会的所见所闻，我深深为光电所震撼，通过对照相机的研究

及解析了解及向专业人士询问后，我对它有了更加深入科学的认识，同时也为照

相机的原理及其成像过程所吸引，我以后会更加好好学习光学，学好这么神奇的

学科!