照相机 Photo cameras

2022-11-01 10:39:22 浏览:197

定义

用于拍摄摄影图像的光学仪器。

照相机是一种用于摄影的照相机,即用于拍摄静止图像 - 尽管某些照相机也具有一些视频功能(见下文)。 通常,它们与可见光一起工作,但它们也可以具有一定的灵敏度,特别是对于近红外光。

请参阅有关相机和镜头成像的文章,了解成像设备和其他类型的相机的一些基本方面。

基于胶片的相机

传统的照相机使用照相胶片 - 最初是单色胶片,后来是彩色摄影的改进版本,涉及更复杂的化学反应。 尽管它们已在很大程度上被数码相机所取代(见下文),但基于胶片的相机仍用于某些目的。

插入的胶片角色提供了有限数量(例如 24 个)的捕捉图像的机会。 在观看之前,必须冲洗胶片以产生亮度倒置的底片- 通常在一些专业实验室中,很少由摄影师制作。 从这些底片中,产生实际的图像;每个负片图像可以产生多个图像。 生成的图像在一种纸上交付,并且可以具有从相当小到海报大小的不同格式。

基于胶片的相机的光学设置主要包括以下内容:

  • 有一个摄影物镜,来自观察场景的光通过它进入操作员。
  • 物镜后面有一个可变开口的光学孔径。
  • 接下来,有一个快门,可以在拍照时短暂打开。
  • 在快门后面,有一块要使用的摄影胶片。

此外,取景器可以有一些光学元件,它们可以与实际的相机光学元件分开,或者(在单反相机中,见下文)使用相同的物镜。

数码相机

近年来,照相机越来越多地配备电子图像传感器,通常是CCD或CMOS类型,可产生数字图像。 通常,使用的图像传感器具有与以前使用的照相胶片相似的尺寸。 在大多数情况下,它们至少提供几百万像素,甚至可以使用具有数千万像素(百万像素)的相机。 对于每个像素,存储有关红光、绿光和蓝光强度的信息(RGB 编码)。

图1:紧凑型消费类数码相机。

与基于胶片的数码相机相比,数码相机具有本质优势:

  • 这些映像可立即使用,无需耗时的开发过程,无需额外费用。 它们可以被存储、复制、发布在网页和其他电子文档中等。
  • 由于存储容量大,甚至可以轻松集成到廉价的消费类相机中,因此可以在不更换胶片的情况下连续拍摄大量图像。 不成功的录音可以轻松删除,以免浪费任何存储容量。 在不需要全分辨率的情况下,降低分辨率的图像捕获可以进一步增加可以存储的图像数量。
  • 电子图像可以快速传输,通常甚至可以从远程位置传输。 例如,报纸可以快速从远程位置的记者那里获取图像。
  • 在打印或 Web 发布之前,可以在计算机上处理图像。 虽然传统的胶片开发也有修改图像的潜力,但数字图像编辑提供了更广泛的机会。 另一方面,这也为伪造提供了广泛的机会,这可能很难被发现。
  • 数字图像不会老化,而基于胶片的旧照片通常会表现出颜色的实质性变化和其他质量损失。

早期的数码相机在图像分辨率方面非常有限,但具有更高分辨率图像传感器的相机很快就变得可用且价格合理。 仅针对特殊应用,现代消费级相机的分辨率不足,专业设备可以提供更高的分辨率。

请注意,仅当摄影物镜的光学质量足够高时,提高传感器分辨率才有用;否则,更多的图像像素并不能真正传达有关对象的其他信息。 然后,人们只会产生不必要的大图像文件,并且在低光照条件下,由于每个像素接收的光量减少,质量可能会变得更低。 请注意,一些消费级相机就是这种情况,买家对巨大的百万像素值印象深刻,但后来可能对适度的图像质量感到失望。

摄影物镜

简单的相机有一个内置物镜,不能更换(除非在维修期间),而高级相机通常具有使用不同型号摄影物镜的机械装置。 然后,可以将不同类型的物镜用于不同的目的:

图2:SLM相机的远摄变焦物镜。

  • 标准物镜适用于大多数普通摄影情况,覆盖相当远的距离。 它的视野大约是50度,与人眼相当。
  • 有用于远距离的远摄物镜,具有大焦距以实现较窄的视野。
  • 相反的是宏观物镜,适合从非常小的距离拍摄小物体的图像。
  • 还有广角物镜,在极端情况下称为鱼眼;它们可以从白色角度范围内捕获图像,这些图像往往会产生大量的几何图像失真。

有些物镜是变焦物镜,这意味着它们的焦距可以在一定范围内调整,通常不会影响焦点(图像清晰度)。

物镜使用的安装机构部分允许使用其他制造商的物镜 - 在某些情况下,需要合适的机械适配器。 当还需要电气连接时,例如自动对焦功能,可能会出现困难。

摄影物镜在某些方面可能会有很大差异,例如在聚光能力、变焦范围和图像质量方面。

有时,可以通过插入额外的光学元件来修改物镜的特性。 例如,有微距镜头与标准物镜组合以获得微距物镜。

手动或自动对焦

正如关于镜头成像的文章中所解释的,成像系统需要调整到一定的物体距离才能获得清晰的图像。 对于某些类型的相机,这种焦点调整是不必要的,因为它们具有固定的焦点,例如设置为无限远或某个固定的工作距离。 然而,对于大多数相机来说,这还不够;人们至少需要手动对焦调整选项(通常通过旋转物镜的一部分),以便将相机用于广泛的物体距离。 许多现代相机甚至具有自动对焦功能,可以自动进行该调整;通常,它使用所拍摄图像的属性来实现此目的,或者使用单独的距离传感器。 自动对焦技术可以集成到相机机身中,有时也可以集成到照片物镜中。

单反相机和技术替代方案

摄影师必须提前看到照片上会出现的确切区域。

简单的相机通过一个小型的独立光学取景器来实现这一目的,该取景器略高于摄影物镜或侧面,不使用穿过物镜的光线。 然而,这种方法有严重的缺点:略有不同的视角会导致结果有些不准确,并且该方法几乎不适用于可交换的物镜、具有不同视场和变焦物镜。

图3:单镜头反光相机。

因此,已经开发了反光相机,其中使用穿过物镜的光线。 典型的相机类型使用镜子,镜子最多将接收到的光引导到视觉输出,使摄影师能够穿透物镜。 使用五棱镜,获得直立图像。 只有在拍摄图像的那一刻,镜子才会被折叠起来,让光线到达胶片或电子图像传感器。 或者,原则上可以使用分束器,但这会导致图像拍摄和取景器的亮度损失。

反光相机原理适用于可变物镜和变焦物镜,始终精确显示将到达图像传感器的内容。 由于只需要一个镜头(严格来说,单个物镜,不需要额外的取景器物镜),因此这种相机称为单反相机(SLR相机)。 取景器当然也可用于检查变焦和对焦的调整。

SLR原理的可能替代方案是使用液晶显示器(LCD)作为光学取景器的完全替代品,从而降低光学制造成本。 但是,这种方法有一些缺点;例如,在明亮的环境光条件下可能难以准确读取显示器,并且不能同时使用显示器来显示大量操作参数。

图像传感器格式

摄影相机可以具有不同格式的胶片或图像传感器:

  • 长期以来,许多基于胶片的相机大多使用35毫米胶片(根据ISO标准1007也称为135胶片),其中胶片上的图像尺寸通常为36毫米×24毫米。 (胶片线轴的宽度为 35 毫米,略大于 24 毫米,因为图片没有延伸到线轴的边缘。
  • 具有可更换物镜的消费级数码反光相机通常使用小得多的图像传感器。 例如,格式可以是 23.6 毫米× 15.7 毫米或只有 13.2 毫米× 8.8 毫米;常见相机中使用了各种其他格式。
  • 有图像格式为 4 × 5 英寸或更大的大幅面胶片或(很少)数码相机。
  • 高度紧凑的移动相机(见下文)需要使用非常小的传感器,例如只有 1/4 英寸(6.35 毫米)宽。 然而,当使用像素间距非常小(只有几微米)的传感器芯片时,可以实现具有数百万像素的高图像分辨率。

使用的电子图像传感器通常比相应的胶片小!

如上所述,许多数码相机使用尺寸明显小于胶片尺寸的电子图像传感器作为参考格式。 所谓的裁剪因子(CF,通常在1.3和2之间)表明图像传感器的对角线与参考对角线相比减少了多少。

较大的裁剪因子意味着给定物镜的视野减小。 获得的视场相当于具有全尺寸传感器(CF = 1)和焦距的相机的视场,焦距根据实际裁剪系数增加。 在决定特定摄影情况的焦距时,需要考虑这个问题。 光圈和ISO设置也需要相应地调整。

一些制造商指定了一种有效焦距值,通过裁剪因子在实际值的基础上增加,但部分没有明确说明,这一事实可能会引起混淆。

较大的裁剪因子可以解释为提供更大的放大倍率,因为给定数量的像素与较小的视角相关联。 然而,这当然不是光学器件的真正放大倍率,具有相同像素间距的较大传感器将提供相同的空间分辨率。

在给定条件下,较小的图像传感器总体上将收集较少的光。 因此,除非可以通过其他方式提高设备的灵敏度,否则将需要相应的更长的曝光时间,或者产生具有更高噪声的图像。 因此,具有全尺寸传感器(CF = 1)的相机往往更适合在低光照条件下进行摄影。

当使用较小的图像传感器时,也可以使用未针对该区域未使用部分优化的物镜。 因此,它可以以较低的成本生产,并且重量相对较轻。

移动设备中的微型相机

已经开发出高度紧凑的微型相机,可用于许多移动设备,如智能手机和平板电脑。 它们仅限于使用微光学器件,例如没有变焦的单透镜物镜,通常也需要以非常低的成本制造。 尽管如此,仍然可以获得令人惊讶的良好图像质量,例如通过使用非球面塑料光学器件和数字图像处理的一些改进。 然而,这种相机往往有严重的局限性,例如在光线不足的条件下。

作为光学变焦的替代品,它们有时提供数字变焦。 但是,这有效地减少了可用的像素数。 这并不比以后只使用拍摄图像的一部分更好,可能通过插值将其缩放到更多的像素。

摄影的典型问题

图像捕获时间

无论使用摄影胶片还是数字中心,人们总是需要一定的最小光量来产生高质量的图像。 在光线不足的情况下,因此可能不得不延长图像捕获时间(曝光时间)。 这反过来会导致在曝光期间移动物体或相机时图像模糊。 至少可以最大限度地减少相机的移动,例如使用三脚架。

在某些情况下,由于长时间曝光而导致的模糊效果是有意使用的,例如出于艺术目的。

摄影中的典型曝光时间为几分之一秒,例如 1/125 秒。 然而,人们也可能在几秒钟、几分钟甚至几小时内进行长时间曝光,例如夜空,显示星星的明显运动。

许多现代相机允许根据内置亮度计的信号进行自动曝光控制。 测得的亮度越高,使用的曝光时间越短。 这是非常有帮助的,不仅方便;用眼睛很难判断实际的亮度水平,因为眼睛会自动适应环境光线条件。 特别是对于动态范围有限的图像传感器,这些功能可能非常重要。

光圈尺寸,f值

在摄影中,光圈大小通常用f值间接量化。 这里,f/N表示孔径直径为焦距f除以N;N是f 值(或光圈数或焦距比)。 这意味着大f值对应于小光圈,反之亦然,对于固定焦距。 通常使用的f值是2.8,4,5.6,8,11和16,大致上每一步(“上升一档”)都会减少孔径面积,从而减少光通量2倍。

在相机中使用大光学光圈,可以将更多的光线照射到传感器,因此使用更短的曝光时间。 然而,这也降低了景深,特别是对于长焦距物镜。 (这在关于用镜头成像的文章中也有解释。 这种模糊效果实际上在摄影中甚至经常受到欢迎,例如,在制作背景有些模糊的人像照片时。 在其他情况下,模糊可能是有害的。

对于在强光条件下的摄影,可以使用非常小的光圈。 但是,对于非常小的光圈,由于衍射效应,图像分辨率可能会降低。 例如,对于 20 mm 镜头和高f 值 22,光圈直径为 20 mm / 22 ≈ 0.9 mm。 该孔径会将角分辨率限制为≈0.68 mrad。 相比之下,对于水平方向上具有2000像素的20毫米宽传感器,角视场将为927 mrad,或每像素≈0.46 mrad。 在这种情况下,衍射已经大大降低了图像分辨率。 因此,如果可能的话,人们可能更喜欢重复使用f值并使用较短的曝光时间。

显然,对于具有极高像素分辨率的图像传感器来说,这些问题变得更加严重。 只有在使用大孔径时,并且光学系统的质量非常高,分辨率才能完全可用。

检测灵敏度

另一种使用较少光线的方法是使用更灵敏的光电探测器:

  • 有些摄影胶片具有特别高的灵敏度(高ISO值),但是它们往往具有较低的空间分辨率。 标准ISO值为100和200;400表示相对敏感的薄膜。 请注意,相机电子设备应“知道”使用哪种胶片,以便适当调整曝光时间等参数。
  • 电子图像传感器提供的灵敏度通常与典型胶片非常相似。 他们还用ISO数字量化。 传感器通常可以在高灵敏度模式下使用,并带有额外的电子放大功能。 然而,探测器噪声的影响可能会增加,从而降低所拍摄图像的质量。

因此,通常最好以某种方式为传感器提供更多光线。

几何图像失真

根据所选的视角以及摄影物镜的类型,可能会或多或少地出现严重的图像失真。 例如,对象的直边在记录的图像上显示为弯曲。 这种效应对于广角物镜尤其明显,即使采用复杂的光学设计,也几乎不可能进行完全补偿。

对于数字成像,可以使用合适的图像编辑软件在之后补偿这种效果。

自动控制

上面已经提到了自动调整曝光时间的可能性。 此外,现代相机具有操作模式,其中其他参数也会自动调整。 例如,光圈尺寸也可以调整,因为仅曝光时间可能不足以满足低光照水平条件。

这种自动控制的一个基本问题是,设备无法“知道”在具体情况中什么是最佳权衡。 在某种程度上,这可以通过使用不同的操作模式来缓解,指示用户的优先级。 例如,可以有一个运动模式,其中曝光时间尽可能短,以便正确捕捉移动球员的图像,例如 - 即使需要大光圈,导致景深减小。

还有一些操作模式,用户可以决定一定的光圈大小或固定的曝光时间,相机电子设备将仅调整剩余的自由参数。

通常,这种自动控制可以大大简化照相机的使用,无需长时间培训即可生成质量合理的图像,只需使用这种自动“傻瓜相机”。 专业摄影师并不总是对以这种方式获得的结果感到满意。 他们可以根据对某些设备参数在特定条件下的重要性的清晰理解,使用具有减少自动功能的操作模式。

视频功能

一些数码相机也允许视频录制,但通常只能在有限的范围内进行。 在各个学科中,它们无法与专用摄像机竞争,尽管它们在图像分辨率和质量方面通常更好。 例如,它们的存储容量通常更有限。 此外,处理在某些方面不如摄像机方便。

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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