各类相机光学结构介绍（宝贵资料）

本文将介绍各类相机的光学结构部份，至于电子相机的电子结构以及原理则非本文讨论之范畴。

针孔相机

照相就是将物体的影像投射在感光介质(底片上或是 CCD )上面，但是要达到此目的，并非一定要靠透镜。各位在树底下一定会发现，由树叶透过的阳光似乎在地面上常常是一个一个的光亮圆形，其实那些光亮的圆就是太阳经由树叶缝隙所造成的针孔投影。

如果您在纸上刺一个针孔，晚上放在白纸上方，就会发现头顶上的灯会经由针孔投射在下方的白纸上，这就是针孔成像，原理像上图，每个点的光线经过针孔形成一个倒立的影像。最简单的针孔相机就是在机身盖上面打个小孔，拍拍看就知道了。

其实目前也有不少追求创意的摄影同好在利用针孔原理来拍出与众不同的照片，还有一些网站是专门探讨针孔像的。现在有数位相机更容易玩针孔，因为是否曝光充足马上就可以揭晓，无须像过去要等待底片的冲洗。如果用针孔原理拍照，一般是要求针孔越圆越好，针孔的边缘材料也越薄越好，但其实各有效果；创意才是艺术的生命，就是要与众不同，那谁又能料到不遵守这个规则时会有什么意想不到的结果呢？

单透镜相机

针孔虽然【可以】拍出照片来，但是实际玩一下就知道其实针孔要曝光很久，玩创意可以，但真正要实用就会有问题。

如果要真正能实用的拍照，最简单是使用透镜，将凸透镜对着窗外景物会在后方呈现一倒立之影像，这个影像投射在感光元件（底片或 CCD ）上就可以将影像记录下来。

简单的凸透镜，像一般的放大镜就可以作为照相的镜头，但是有色差、球面差、像场畸变、轴外向差等等的问题，这些问题使得影像不清楚或是边缘影像不清楚，或者是变形严重；因此一般的单透镜并不是良好的摄影镜头。

在实际上并不是没有单透镜相机，一般的玩具级相机、或是抛弃式相机，有些就是单透镜相机，不过此种相机不用一般的双凸透镜而是使用弧形透镜，如左图，该类相机一般使用塑胶铸模透镜，后方有固定的光圈挡板，将光圈设定在 5.6~8 左右，在光线足够的时候，弧形透镜可以产生尚可接受的影像质量。相机上方则有一个用凹透镜及凸透镜组成的观景窗，观景窗一般是凹镜在前凸镜在后的结构。更简单的抛弃式相机有些甚至没有观景窗透镜。此类相机的快门常常是只有一种速度，不能调整，位置则是紧贴在光圈后方

连动测距相机(Range Finder Camera)

连动测距相机常有人称为双眼相机，其实那是错误的，所谓的双眼相机另有其【机】，后面再介绍。连动测距相机其实只有一个镜头，如左图，上方有观景窗以及一个对焦窗，算起来似乎应该称为三眼。有些可更换镜头的一些连动测距相机，因为要配合不同焦距的镜头，观景器是另外卡在闪光灯的座子上，此种相机在购买镜头时常要同时买一个观景器。

不能换镜头的连动测距相机快门位置在镜头的光圈附近，称为镜间快门，此种快门一般最快可达 1/500 秒。因为镜间快门与闪光灯的连动方式是快门开到最大时引发闪灯，所以任何速度都可以与闪光灯同步。

可以更换镜头的连动测距相机，快门位置则与目前一般的单眼相机类似，在贴着底片的前方，一般为布帘构造，在速度超过 1/60 秒的时候，除了加快布帘的开阖速度之外，还将前后两片布帘的距离缩小，所以实际上是一条窄缝经过底片前方来完成曝光，闪光灯是在第一片布帘到定位时引发，此时其实第二片布帘已经【跟过来了】，已经遮住了一部份的底片，所以布帘式的快门常有闪灯同步速度限制在低于 1/60 秒的现象。

连动测距相机连动测距原理如左图，最左方为观景窗，内有一片半透镜，可以看到拍摄景物；右方则有一个对焦窗，对焦窗内有一反射镜，反射镜可将观景窗中央看到同样景物的一小部份反射经过观景窗的半透镜，因此观景窗中可以看到景物的中央还有一个由对焦窗反射来的影像。对焦窗的反射镜下方有连动杆，连动杆与镜头上的对焦环有互动关系，当对焦时会影响连动杆使反射镜转动，当反射镜中的影像与观景窗中的影像重合时即为【合焦】。因为连动测距相机反射镜与观景窗的距离有限，使得对焦精度产生限制，一般连动测距相机能精确对焦的镜头焦距为 135mm，所以才有这么一个奇怪的焦距。

连动测距相机如果将对焦测距系统以电子讯号侦检系统代替，则变为简单型的自动对焦相机。

双镜反光机(Twin Lens Reflect)

外型像左图这样的才是真正的双眼相机，更正确的应该说是双镜反光机，此类相机都是使用 120 底片，有两个镜头，一上一下，上方为对焦镜，下方为拍摄镜，上方的对焦镜常常是库克三重镜结构，而下方有些廉价机型使用与上方对焦镜同样的镜片结构，有些稍微高价的则使用 Tessar 结构，而更高价的机种则使用更为复杂的五片或六片结构。有些机型还可以更换镜头，更换的镜头也是两个一组，一上一下。双镜反光机的快门位置是在下方的摄影镜头中，光圈也一样。

左图为双镜反光机的解剖示意图，所谓双镜反光是指上方的对焦镜后方有一反射镜，将影像反射至对焦屏上，早期机型的对焦屏为毛玻璃，后来的机型也有fresnel 透镜结构，看起来不会边缘变暗，不过此类对焦屏上的影像都是左右相反的。在上方则有可折叠的对焦放大镜。

单镜反光机(Single Lens Reflect)

单镜反光机也常称为单眼相机，左图是一台现代的数位单眼相机，与以前的单眼相机相比，其实只是感光介质的不同，以光学路径的角度而言，其实差异不大。最近 Olympus 出品的可以用 LCD 对焦屏来对焦的数位单眼则多了一些零件。

单眼反光机有 135、120 的规格，Pentax 还出过使用 110 底片的规格。120 的规格只是体积大些，基本原理其实还是与 135 规格的相当类似。

左图是典型的单眼相机结构，或称为单眼反光机，单眼是指只有一个镜头。反光是指可以弹起来的反光镜，左图中绿色的部份是对焦屏，深蓝色的是集光透镜，集光透镜其实相当于天文望远镜目镜上的场透镜，一般不会改变透镜组的焦距（或是改变很少），主要是将光线角度加以调整。

最早期单眼反光机的观景窗与光镜反光机相似，并没有现代的五稜镜，是用一个放大镜来对焦，对焦时低头向下看对焦屏，该类型称为腰平观景器，因为如果不用放大镜对焦时，相机其实是放在大约腰部附近，腰平观景器的影像都是左右相反的。

后来有了五稜镜，眼睛可以在五稜镜后面的观景窗中看到上下左右与实际景物一致的影像，此类观景器称为眼平观景器。目前一般的单眼相机绝大部份都是配备了眼平观景器。有些职业用的机型观景器则可更换，对焦屏也可更换，以应付不同的专业需求。单眼反光机除了早期极少数的机型以外，都可以更换镜头，所以单眼反光机比较可以适用于更多的拍摄目的。

单眼反光机的快门在底片（数位单眼当然就是 CCD ）前方，早期与可换镜头的连动测距相机类似，是横走布帘，后来则开发出纵走的金属帘幕，配合狭缝的使用，最高可达相当 1/8000 秒的曝光时间。几年前，纵走快门的闪灯同步速度有些高级机种可达 1/250 秒。目前则有所谓高速同步的技术，像 Leica R9 闪灯同步甚至高达 1/8000 秒。

对焦屏

对焦屏是单眼相机的重要零件，最早期只有磨沙对焦，后来发展出fresnel 透镜结构（有时笔者会称它为【环纹透镜】）、微稜锥以及裂像对焦器，使对焦更容易。裂像对焦器是过去手动对焦时代的重要零件，原理为何？其实裂像对焦是两个类似稜镜的部份所组成，斜面是相对的。

在左上图中，当一个绿色物体贴近稜镜时，因为折射而感觉该物体应该在红色物体的位置，也就是对人眼而言，在红色物体的位置会产生虚像；当该物体越远时，人眼会感觉虚像位置越远离实际物体位置。如果将两个稜镜相对，后方的物体如果离镜面越远则感觉虚像分离的越开。而镜头所成的实像其实就相当于物体，经过对焦屏后如果两个虚像位置相合，就表示实像与稜镜的距离达到最小，也就是合焦，当然相机在设计时就将合焦的位置调整到此时刚好实像也会投影到感光面上。

至于在裂像对焦出现前有一种叫做微稜锥的对焦器，其实原理类似，结构如左图，由一堆锥体组成，如果实像没有在最接近底面的部份，整个因为虚像会经过不同方向的斜面造成影像扭曲，合焦时则影像清楚。其实这个现象自己也可以实验，找个楔型的压克力或是玻璃稜镜，将白纸上画一条线，当稜镜贴在纸上时，线的偏移最小，离开纸越远影像就越会偏移。

此外，目前也有厂商出品四裂的对焦屏，也就是等于双裂像。这样无论直线横线都可以用来对焦

左图中为一个实际的对焦屏，下方是对着反光镜，面上有fresnel 透镜结构，左图只是示意图，实际的 fresnel 透镜环纹非常细微，有百条以上，我没有算过，也没找到资料。上方则是对着五稜镜，焦点面就在上方的表面处，表面有细微的磨沙颗粒结构。两个交错的裂像稜镜其实是一半凹入对焦屏，一半凸出对焦屏。当合焦时两个影像交错最小，看起来是相接合，但是当影像不在焦点面上，就会因为两个交错的稜镜偏移方向不同而看起来错开。实际上两个稜镜的斜角并没有图中那么夸张，而对焦环也要转一些角度才会显示出偏移。

对焦屏有许多种不同的设计，装法也有不同的装法，哪一面向上？一般是磨沙面向上，但是有些相机与别人不同，所以如果搞混了，很难用磨沙面在哪里来判断，目前的相机多半磨沙面向上，但也有例外，最好的办法是，找个该厂的正常镜头装上去，但怎样装无限远刚好合焦那就对了。

现代的对焦屏有许多新的技术，左图中 A 是比较早期的对焦屏，上方的磨沙其实是不规则的，下方的环纹透镜也没那么完美，但是现在的新技术，可以将下方的环纹透镜每个斜面做的更为整齐也就更接近透镜的曲度，聚光的效果也越好，如 B 图。对焦屏上方的磨沙，目前也有改进，据说使用了雷射切割的技术将表面作成类似许多透镜的形状，如图 C。整个现代的对焦屏如图 B，上方的磨沙变成了许多微透镜，下方的环纹透镜也更接近透镜的曲度，整体更亮，更容易对焦。

自动对焦的单眼相机都使用全磨沙的对焦屏，但是有些朋友希望用手动镜，因此有些朋友将对焦屏 DIY 更换成裂像对焦屏，但是因为对焦屏的透光度不同，或者说看起来亮度不同，因而造成了更换对焦屏之后曝光不正确的问题，此时就需要调整曝光补偿值了。

小型数位相机

一般小型数位相机的光学系统是比较简单的，只有观景窗以及拍摄用的镜头，对焦系统则由电子讯号侦检器系统代劳。以拍摄画面的所见即所得方面来说比较类似单眼，但如果使用观景窗则又与连动测距相机的感觉类似。

大型蛇腹机

大型蛇腹机体积大，也较重，使用时最好使用脚架，一般只有职业用家才会使用，但是大型的蛇腹机也有许多无法取代的优点。大型蛇腹机有许多不同机型，不同的大小可以使用 4 × 5、8 × 10 等等的大型底片，使用大型底片在输出同样大小的画面时可以获得分辨率更好的画质，但这只是好处之一，最大的好处是蛇腹机可以做出一些小型相机做不到的调整动作。

由左方的示意图看来，蛇腹机前方有镜头固定板，此部份可以上下摆头、左右摆头、上下升降、左右平移，当然也可前后对焦。后方的底片固定板也可以上下摆头、左右摆头、上下升降、左右平移等等。几乎可以说是能够【随意扭转】，当然有些廉价的简单机型有些功能也许会被省略。以下就介绍两个蛇腹机的绝招，而那些复杂的动作，其实基本原理也不过是下面两种重要功能的组合罢了。

移轴

大家应该有使用超广角镜头拍大楼的经验，常常拍出来的影像是上小下大，看起来像要倒下去一样，因为仰角时大楼的顶部与底部其实与镜头光轴垂直面的距离是不一样的，如左上图。而物距不同则像的大小也会不同，因此会产生上小下大的变形。

移轴是指前后两片固定板平行移动，如左下图，不管是左右还是上下，反正两片板仍然是平行的，镜头光轴仍然垂直底片。此种调整在拍摄建筑物时特别有用，使用移轴功能时光轴与大楼垂直，因此大楼的上下与镜头光轴垂直面的距离是相同的，在底片上的影像也是一样大小，所以看起来大楼仍然是直的。

移轴镜除了拍建筑之外，有时也可以拍镜子，一般拍镜子会把自己拍进去，但用移轴功能就可以避免，但是拍镜子要配合一些其他的条件，例如镜子边缘的形状、打光等等，否则会看起来不自然。

移轴虽然是蛇腹机的好处之一，但是 135 单眼相机也有些厂家出产移轴镜，但是价格昂贵，而且移轴的距离无法像蛇腹机那样大。目前而言，其实用数位相机时，只要变形量不大的话都可以在计算机中校正回来，已经不那么需要移轴镜的功能。

摇摆

将前镜头固定板或是后底片固定板摇摆调整是另一个蛇腹机的重要功能。先看左上图，一般如果拍摄的景物，远近不一时，例如桌子前后放了许多小摆饰，很难将景深控制在远近都清楚，往往最近或者最远的会超出景深之外。但是如左下图，如果前镜板以及后底片板都可以摇摆调整，就可以调整到远近物体都在成像平面附近，这样就可以增大景深。反之，如果故意将影像调到不在感光面，当然也可以对某些部位产生更模糊的效果。

此外有时要改变实际物体的相对比例也可以使用此一功能，将想要放大的影像部位调整到远离镜头，就可以将该部位影像变大，但是此时要使用小光圈，否则会失焦。

其实蛇腹机扭来扭去，基本上也只是调整感光面与镜头垂直面的相对关系。如果只需要上下或左右扭动，只需要单轴调整，如果是斜向的扭动，才需要两轴一起扭动。

有些厂家也生产具有此一功能的 135 相机镜头，但是当然价格也是很贵，而且当然调整的幅度也没有蛇腹机来的大，此外也只能调整镜头部份，底片部份也不能调。不过有些 120 的专业型单眼相机也将蛇腹设计成有类似的功能，但都没有真正蛇腹机的调整幅度来的大。

相机快门动作

镜间快门

早期多半为镜间快门，此处的动画是以一个有三片叶片的镜间快门为例，镜间快门是由几片叶片组成，早期有三片，后期的多半为五片，但是一般的简单型相机或是所谓的傻瓜机甚至两片也是常见。

镜间快门是在所有叶片全开时引发闪灯，所以镜间快门可以做到任何快门速度都闪灯同步。一般不能换镜头的相机多为镜间快门。

帘幕快门

相机演变到可以换镜头的机型以后，因为要将镜头在拍摄期间取下，底片会曝光，因此镜间快门已经不符所需，演变出帘幕式的快门，帘幕位于底片前，这样将镜头取下时底片也不会曝光。此时镜头因为少了快门，结构就简化了。

帘幕快门的运作如左图，前帘先打开，间隔一段时间之后后帘再将底片遮起，而间隔的时间则为快门速度。如果是可换镜头的连动测距相机，快门的动作就只有与帘幕有关；而如果是单眼反光机则在帘幕打开前还有反光镜上举的动作，因为动作简单所以没有画出；此外现在的单眼几乎都是开光圈测光，所以，在快门打开之前还会有一个将镜头光圈缩起的连动。

帘幕快门是在前帘全部打开时引发闪灯，此时底片全部露出，因此可以接收到闪灯的光线。

但是帘幕快门需要【走过】整个底片的距离，因此需要时间，前帘从启动到走到定位，已经消耗了一段时间，即使快门设定为数百分之一秒，其实前帘走过的时间可以已经不只数百分之一秒，因此在前帘还没有走到底之前，后帘就必须【跟上】，随着前帘将底片遮起，这样帘幕走过底片时就变成了一条狭缝，实际曝光的时间才能达到数百分之一秒以内。

因为前帘走到定位时，后帘已经跟上而遮住了一部份的底片，如左图，因此此时引发闪灯就会导致一部份的底片无法接收到闪灯的光线，所以帘幕式的快门有闪灯同步时间的限制。至于高速同步的闪灯则是闪光灯管延长发光的时间，以便在整个帘幕狭缝【走过】底片的时候持续发光使底片曝光。

单眼镜间快门

因为过去并没有高速闪灯的技术，因此有闪灯同步快门速度的限制，可是这样就限制了一些职业摄影师的使用条件，因此职业用的中片幅单眼相机是具有镜间快门的单眼反光相机。

如左图，镜间快门在对焦取景时是开着的，等到曝光时才缩起，此时遮住底片的帘幕会打开，反光镜收起，然后镜间快门依照设定的速度打开再关起，然后反光镜放下，帘幕再度遮住底片，而此时镜间快门再度打开，观景窗中又可以看到影像，所以职业用的中片幅相机，在按下快门之后常会听到一阵乱响，就是这些复杂的动作引起的。