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2.7: 相机

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    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 描述相机的光学元件
    • 描述相机创建的图像

    相机在我们的日常生活中很常见。 1825 年至 1827 年间，法国发明家 Nicéphore Niépce 成功拍摄了一张由原始相机创建的图像。 从那时起，在相机和基于摄像机的探测器的设计方面取得了巨大进展。

    最初，照片是使用氯化银或溴化银等银基化合物的光敏反应记录的。 在 20 世纪 80 年代数码摄影问世之前，银基相纸一直很常用，数码摄影与电荷耦合器件 (CCD) 探测器密切相连。 简而言之，CCD是一种半导体芯片，它将图像记录为由微小像素组成的矩阵，每个像素位于表面的 “垃圾箱” 中。 每个像素都能够检测冲击它的光强度。 色彩是通过在像素上放置红色、蓝色和绿色滤镜来发挥作用，从而生成彩色数字图像（图\(\PageIndex{1}\)）。 在最佳分辨率下，一个 CCD 像素对应于图像的一个像素。 为了降低分辨率和减小文件的大小，我们可以将几个 CCD 像素 “合并” 为一个，从而生成一个更小但 “像素化” 的图像。

    图中显示了电荷耦合器件的照片。 其中一小部分被放大，显示了几个带有红色、蓝色和绿色方块的像素。 它被标记为 “红色、蓝色或绿色波长光传感器” 和 “转换为电压”。 显示了一张标有 “图片输出” 的花朵照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：电荷耦合器件 (CCD) 将光信号转换为电子信号，从而实现视觉图像的电子处理和存储。 这是所有数码相机（从手机到电影摄影机）中进行电子成像的基础。 （左图：布鲁斯·特纳对作品的修改）

    显然，电子学是数码相机的重要组成部分；但是，基础物理学是基础光学。 事实上，相机的光学效果与单镜头的光学镜头几乎相同，单镜头的物体距离明显大于镜头的焦距（图\(\PageIndex{2}\)）。

    该图显示了数码相机的侧视图。 相机的正面是一个标有光圈的光盘，其次是双凸镜头、双凹镜头、标有翻转镜的倾斜镜子、快门和传感器。 光路的显示方式是光线通过光圈和镜头进入相机并照射镜子。 它向上反射到视觉系统。 在这里，它从另外两面镜子反射，然后穿过双凸透镜并从相机中出来。
    图\(\PageIndex{2}\)：现代数码相机有多个镜头，可以产生像差最小的清晰图像，并使用红色、蓝色和绿色滤镜生成彩色图像。

    例如，让我们考虑一下智能手机中的摄像头。 普通的智能手机摄像头配备固定广角镜头，焦距约为4—5 mm。 （这个焦距大约等于手机的厚度。） 镜头生成的图像聚焦在安装在手机另一侧的 CCD 探测器上。 在手机中，镜头和 CCD 不能相对于彼此移动。 那么，我们如何确保远处和近距离物体的图像都对焦呢？

    回想一下，人眼可以通过改变焦距来适应远距离和近距离的图像。 手机摄像头无法做到这一点，因为从镜头到探测器的距离是固定的。 这就是小焦距变得重要的地方。 假设我们有一台焦距为 5 mm 的相机。 自拍的图像距离是多少？ 自拍的物体距离（手持手机的长度）约为 50 cm。 使用薄透镜方程，我们可以这样写

    \[\frac{1}{5mm}=\frac{1}{500mm}+\frac{1}{d_i} \nonumber \]

    然后我们得到图像距离：

    \[\frac{1}{d_i}=\frac{1}{5mm}−\frac{1}{500mm} \nonumber \]

    请注意，物体距离比焦距大 100 倍。 我们可以清楚地看到，1/（500 mm）项明显小于1/（5 mm），这意味着图像距离几乎等于镜头的焦距。 实际计算得出的图像距离 d i =5.05mm。 该值非常接近镜头的焦距。

    现在让我们考虑一下遥远物体的情况。 假设我们想拍一张站在离我们大约 5 米处的人的照片。 再次使用薄镜头方程，我们得出5.005 mm的图像距离。 物体离镜头越远，图像距离越近。 在无限远物体的极限情况下，我们得到的图像距离完全等于镜头的焦距。

    如你所见，自拍的图像距离和远处物体的图像距离之间的差异约为0.05 mm或50微米。 即使是较短的物体距离，例如手的长度，也比镜头的焦距大两个数量级，从而导致图像距离的微小变化。 （50 微米的差异小于普通纸张的厚度。） 如此微小的差异可以由位于镜头焦距处的同一个探测器轻松容纳。 图像分析软件可以帮助提高图像质量。

    传统的即拍相机通常使用可移动镜头来改变镜头与图像的距离。 较昂贵的镜面反光相机的复杂镜头可以提供高质量的摄影图像。 这些相机镜头的光学效果超出了本教科书的范围。