解构拍摄与光学现象 透镜、对焦、观景窗、五棱镜、感光元件、光电效应｜STEM教室

「每张都罕有 拍下过记住过好过拥有」——陈奕迅的〈沙龙〉唱出不少关于相机与摄影的专有名词，例如「对焦」、「光圈」、「菲林」等等。相信大家都经常听到这些词语，但当手机拍摄已变得流行，而自动对焦等技术普遍，大家有想过你每次「举机」运用上哪些技术？就让我们趁着之前学习过光学现象，今次继续以光为主题，探讨相机与影像的相关原理吧！

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基本认知：相机的结构

现今相机款式五花八门，让人看得眼花缭乱，而且配件繁多，要掌握相机的所有功能并不容易。这里，我们就以最常见的单眼／单镜反光相机（又称单反相机）入手，先来拆解相机的内部结构。

单眼／单镜反光相机（又称单反相机）

单反相机内部结构

（图一）单反相机的内部结构（从侧面观看）。

当外来光由图一的左方进入后，会经过一系列透镜（1）→再经由一面镜子（2）把光反射上→去穿过对焦屏（5）与聚焦透镜（6）→光会经由五棱镜（7）到达观景窗（8），这样我们的眼睛就能看到相机看到的影像。

当我们确定要拍摄时，只须按下快门按钮，镜子就会摆向上，光綫就能向前走，并在 快门帘（3）打开的一瞬间抵达在其后的感光元件（4），一张相片就已拍下。

图一的结构只是一部单反相机的基本结构，现时的电子相机还会有一些如自动对焦及自动曝光的组件。接着，就让我们深入解构上述配件，了解一部相机如何制作影像吧！

解构配件：透镜与对焦

→透镜公式

我们于上一期了解过甚么是折射，亦即是当光由一个介质到达另一介质时，因为物料结构的不同而令光綫的速度与方向都出现改变。然而，我们观察一个物件时，并不只有一条光綫进入我们的视綫，而是有很多光綫从不同角度走来的。透镜就是把这些不同角度而来的光綫聚焦到一个平面上；换句话说，在这个平面上，我们会看到一个清晰的影像。数学上，我们能够以透镜公式来找到这个聚焦点在哪里；设定物件与透镜的距离为u，影像与透镜的距离为v，透镜公式便指出：

f为透镜的焦距，即是假设光以平行綫的光束（或是在很远的地方）到达透镜时，焦点与透镜的距离，而焦距是取决于透镜自身的特性，如物料、形状、厚度等。

焦距是取决于透镜自身的特性，如物料、形状、厚度等

（图二）透镜公式示意图。左方向上箭嘴（AB）的光綫穿过透镜（O为其中心） 后，在右方向下箭嘴CD处形成影像。ho和hi分别是物件与其影像的大小，两者的比例会因u和v的比例而改变。

从图二，我们可以看到物件及影像与透镜的距离，如何决定影像的大小。我们定义放大倍数M为hi/ho = v/u；在相机里，v大约为透镜至感光元件的距离，因此，当我们选择了合适的镜头并设定了焦距后，我们就可以得出u，并因而得知放大率。

焦距是相机镜头一定会标示的规格之一，不少相机镜头都能调校焦距。图中镜头的焦距为55mm–250mm，数字愈大代表放大能力愈强，即是能够把很远的地方拉到眼前，可是这亦代表拍摄范围变窄。因此，假若我们想要拍摄范围大的建筑物，通常会使用焦距较小的镜头；若想记录远处一些小物件的细节， 则可以扭动变焦环，把焦距调高。

不同镜头的焦距比较

→对焦与光圈

设定了焦距后，我们还要调整对焦范围，亦即所谓的景深。拍摄近距离的物件时，有时为了突出该物件，我们会把背景变得模糊，这就是浅景深；反之，拍摄远距离的东西，则通常使用景深较深的焦距范围。要调整景深，我们可以改变光圈数值。光圈决定镜头孔径的大小，大的光圈代表更多光能够进入镜头里，同时会令对焦范围变小，反之亦然。购买镜头时，通常一个数字会出现（F/#，#为数字，见图四），这数字称作F值（又名焦比，是焦距与孔径大小之比），由于F值与光圈成反比，因此F值愈大，其实代表光圈愈小；光量变少，同时景深变深。

（图四）这款镜头既可调整焦距，亦可调整F值。拍摄远距离物件时，我们须设定大焦距，这亦要求F值变大，却会令较少光綫能进入相机， 因此我们需要增加快门时间，又或是提升ISO（感光度），但杂讯亦会增多。

观景窗与五棱镜

按下快门之前，我们会先从观景窗看看即将拍下的影像是否符合我们的要求。当光綫打到镜子时，反射会使光走向上；穿过聚焦透镜时，焦距会稍为改变，从而令光能在到达观景窗以至我们的眼睛时，形成清晰的影像。

为了令影像由垂直向上变为水平进入视觉，同时不会令影像倒转，便须运用五棱镜。五棱镜是一块五角柱体的玻璃，然而入射的光綫在五棱镜中反射时，由于入射角小于临界角，不能出现全内反射，因此需要在这些反射的表面镀上反射镜面。另外，由于透镜同时会构成左右反转，因此单反相机内的五棱镜会变成「屋顶形」设计，令影像重新反转成正常方向。

观景窗

（图五）单反相机的屋顶形五棱镜，能够把光綫由垂直变成水平，影像不会上下倒转，但会左右反转回正常的模样。

感光元件与光电效应

当我们从观景窗中确定要拍下的影像后，就可按下快门。此时，镜子会转向上，光綫就不能打到它再反射上去。因此，观景窗会变成漆黑一片，而光綫在相机里会继续直綫前行；同一时间，快门帘会打开。这一连串的机械移动，就是拍照时「咔嚓」声的由来，光就会抵达感光元件。旧式相机会利用胶卷底片（即菲林）来收集光綫，现时的相机则会用上感光耦合元件（CCD），其运作原理与上期提到的光电效应有关。光电效应是指光抵达物料时，若符合能量需求，就能刺激物料释出电子，产生电流。

那么，我们应该选用甚么物料呢？这就须要认识一下半导体。

→半导体：储存光电子

我们知道金属能够导电，绝缘体则不能，而半导体就介乎两者之间，只要有一定能量输入，其电子就能被刺激至高能量状态，能够较自由地移动。当这些带负极的电子离 开原本中性的原子时，留下来的空位会被称为带正极的「电洞」或「电子孔」，我们能够通过掺杂不同物料来制造较多自由电子的n型半导体，或是较多「电洞」的p型半导体。之后，若我们如图六所示建构一个金氧半电容（metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, M是金属，O是氧化物，S是半导体），就能把光子激活了的光电子储存起来。

（图六）金氧半电容。顶层（ 红色）为多晶矽（polysilicon）或金属，作为能够导电的闸极；下一层（天蓝色）为绝缘的二氧化矽（silicon dioxide），隔绝光电子走到金属之外的电路；下面的两层则分别为n型和p型半导体。当我们在顶部的导电层驳上正极，这些位置能够释放光电子；而驳到负极的位置则会形成电荷屏障，从而困住中间的光电子。

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补充资料

像素与相片质素

图六的结构是一个CCD的基本构成部分，代表了一个像素。当我们在闸极处按序施加正负极，就能把电荷传送到下一个MOS电容中。试想像一个二维电容阵列：电荷先由「纵向输送带」运送到阵列的其中一边，然后再由「横向输送带」把该像素所收集到的电荷送到一个收集器；接着，这个收集器就会把电荷 「翻译」成电压，再将此信号放大及电子化，我们就能把每个像素的光资讯投放在屏幕上显示。

CMOS运行较快速

除了CCD，另一款愈来愈流行的感光元件是CMOS（互补式金属氧化物半导体，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其原理与CCD相似，但不同的是，在每个像素里先把电荷转化为电压以及放大信号，然后再逐行接收信号（CCD设计是逐个像素收集光电子信号），因此CMOS的运行速度会较快。

随着近年CMOS的杂讯干扰问题得以改善，愈来愈多高解析度相机都选择以其作为感光元件。

感光元件影响相片质素

现今半导体技术以及成像技术已趋成熟，在可见的未来，相机的速度及拍摄出来的画质预期可持续进步，而款式将会愈来愈轻巧，甚至与智能手机结合，在小小的手机里拍到如相机质素的相片。

大家下次拿起相机或手机，不妨欣赏背后复杂的光学科技应用吧！

Canon公司的CMOS感光元件

不同尺寸的感光元件比较（DCFever图片）

文：刘心、星岛中学学生报《S-FILE》编辑部；图：星岛图片库、维基百科、Olympus Life Science、DCFever、网上图片