照相机 camera


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zhaoxiangji
照相机(卷名：机械工程)
camera

　　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。
　　简史 　在公元前 400年前墨子所著《墨经》中已有针孔成像的记载（图1）。13世纪，在欧洲出现了利用针孔成像原理制成的映像暗箱，人走进暗箱观赏映像或描画景物。1550年，意大利的G.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V.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（图2），因为当时没有感光材料，这种暗箱只能用于绘画，而不能摄影。



　　1822年，法国的J.N.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8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L.J.M.达盖尔制成了第一台实用的银版照相机(图3)。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30分钟的曝光时间，拍摄出了非常清晰的图像。1860年，英国的J.萨顿设计出带有可转动的反光镜取景器的原始型单镜头反光照相机。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，构成双镜头照相机的原始形式。1880年，英国的J.贝克制成了双镜头的反光照相机。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P.鲁道夫利用赛得尔于1855年建立的三级像差理论和1881年E.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O.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。但这一时期的35毫米小型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和金属幕帘快门。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(EE)照相机。1960年以后，照相机开始采用电子技术，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。
　　分类 　照相机品种繁多，按用途可分为风光摄影照相机、印刷制版照相机、文献缩微照相机、显微照相机、水下照相机、航空照相机、高速照相机等。按照相胶片尺寸可分为110照相机（画面为13×17毫米），126照相机（画面为28×28毫米）、 135照相机（画面为24×18，24×36毫米）、127照相机（画面为45×45毫米）、120照相机（包括220照相机，画面为60×45，60×60，60×90毫米）、圆盘照相机（画面为 8.2×10.6毫米）。按取景方式分为透视取景照相机、双镜头反光照相机、单镜头反光照相机。
　　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、自拍机等方式的不同构成一个复杂的型谱(图4)。



　　原理 　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。
　　针孔成像 　景物上的一点所射出的光线经直线传播到像平面上，形成直径较大的弥散圆斑（图5）。这种成像方法，进入针孔光束的光子量少而能量分散，故成像暗淡，模糊不清，不能用于照像。



　　物镜成像 　景物上的一点所射出的光线直线传播，经凸透镜折射，汇聚成较小直径的弥散圆斑（图6）。物镜成像时，经透镜传递的光束的光量子多而且能量集中，故成像明亮又清晰。
　　曝光量 　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。
　　结构和功能 　从完成摄影的功能来说，照相机大致要具备三大结构系统（不包括感光材料）。①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。②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。③辅助系统：包括卷片机构、计数机构、倒片机构等。
　　镜头 　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。
　　① 焦距:无限远物体的成像面到镜头后主面的距离，以f或f′表示(图7)。如果物体的距离一定，焦距越长，成像越大，焦距越小，成像越小。如果照相机成像面的尺寸一定，焦距越短视场角越大（图8）。变焦距镜头的焦距可在一定范围内连续改变，因而能连续改变像的大小或连续改变视场范围。



　　② 相对口径：镜头的入射光瞳直径D与焦距f之比，以D/f表示（图9）。常将这一比值的分子D化为1，变成1/A的形式。A称为光圈数。光圈数越小，相对口径越大，通光能力也越大，并可缩短曝光时间。在镜头内部安有一个直径可变的光圈，改变光圈直径可得到不同的相对口径，取其最大值为相对口径的标称值。在镜头上只标出光圈数A而不直接标出相对口径。



　　取景器和测距器 　取景器是用来选取景物和构图的装置。通过取景器看到的景物，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。常见的有光学透视取景器和单镜头反光式取景器。
　　① 光学透视取景器:由目镜、物镜、取景框、反光镜、前置镜、半透镜构成取景部分；由目镜、半透镜、测距物镜、测距反光镜构成测距部分(图10a)。镜头通过回转杆、连动杆与测距器联系起来。未完成测距时，测距器中的影像是分开的（图10b），完成测距时影像重合（图10c）。



　　② 单镜头反光式取景器:景物的影像经过镜头由反光镜，投到调焦屏上（图11a）。人眼通过目镜和屋脊五角棱镜观察取景。取景时，在调焦屏的中央有一对光楔，其楔形角相反、两个斜面交汇处是调焦屏平面。测距时，当影像恰好落在调焦屏上时，两光楔对影像不产生影响，在取景器内看到的影像是重合的（图11b）。当影像落在调焦屏的前方或后方时，影像便分裂开来（图11c、d）。这时需要进行调焦测距，直到在测距器内看到重合的影像为止。单镜头反光式取景测距器能使观察到的影像上下左右一致，又因与摄影镜头为同一光路而不存在取景视差。
　　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 　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。
　　① 镜头快门:由一组很薄的金属叶片(图12a)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。镜头快门装在镜头中间或镜头后方附近。镜头快门的光孔中心与镜头光轴重合。镜头快门光孔由闭合状态开始逐渐开启，达到全部开启后再逐渐闭合(图12b)。快门开启的全过程所需要的时间称为全曝光时间，一般可达1/500～1/750秒。镜头快门的作用是使像面上各点同时曝光。



　　② 焦平面快门:由两组部分重叠的帘幕（前帘和后帘）构成（图13），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。缝隙宽度除以帘幕运动速度即为曝光时间。缝隙宽度可以改度，因而可以改变曝光时间。最短曝光时间可达1/1000～1/4000秒。焦平面快门的特点是像面各点不能同时曝光，缝隙的扫描运动对活动景物的拍摄会产生一些影响。有一种新型的多叶片金属焦平面快门能提高快门速度，曝光时间可达1/2000～1/4000秒。
　　光圈 　又叫光阑，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光量。常见的光圈有连续可变式和非连续可变式两种。
　　① 连续可变光圈:由一组薄金属叶片组成一个光孔(图14)。每个叶片同时绕各自的四转轴旋转。叶片的内轮廓线形成一个近似圆孔的光孔。改变叶片的旋转角度，即可连续改变光孔的直径。



　　② 非连续可变光圈:在一金属薄板上有一系列直径不同的光孔(图15)，装在镜头中间或镜头后方。根据摄影的需要，将任意大小的光孔转到镜头的光轴位置。
　　测光系统 　测光系统的作用是保证照相机的正确曝光。镜头光圈数A、曝光时间T（单位为秒）、景物平均亮度B(单位为坎德拉／米2)和胶片感光度S（以ASA值表示）4个主要参数应满足曝光方程式


式中K为测光系统校正常数。随着这4个参数的引入方式不同，可实现3种不同方式的自动曝光。①光圈优先自动曝光:引入A、B、S后确定T值。②速度优先自动曝光:引入T、B、S后确定A值。③程序控制自动曝光：引入B、S后确定A和T值。
　　照相机的测光方式有外测光和内测光两种。①外测光：测光元件在镜头光路之外的测光方式。光学透视取景照相机多采用外测光（图16）。测光元件硫化镉(CdS)装在测光窗口内，它的电阻值随受光强弱而改变，因而能测出景物亮度(B)。胶片感光度(S)和快门速度(T)由摄影者选定，随后拨动光圈环，绿灯亮完成测光过程，可实现正确曝光。也可选好光圈数(A)，拨动快门速度(T)来完成测光。不能满足曝光方程式时，(＋)号红灯亮，表示曝光速度，若（-）号红灯亮，表示曝光不足。②内测光：通过摄影镜头进行测光（图17）。测光元件装在摄影镜头后方。单镜头反光照相机多采用内测光。测光元件可装在屋脊五角棱镜附近、反光镜附近、快门幕帘附近或机身底部。根据测光范围、内测光又分为全面平均测光、部分测光和中央重点测光 3种类型。测光元件有硫化镉光敏电阻(CdS)、蓝硅光电池(SPD)、磷砷化镓光电池(GPD)等。



　　闪光系统 　常用的是电子闪光系统。它由电源、升压和触发电路、灯管、控制开关等组成，多装在照相机内部，称内装闪光系统。闪光指数GN多为10～14，即闪光摄影的景物距离乘以所用光圈数的乘积不大于标称GN值，便可达到满意的闪光效果。图18为闪光系统电路。电源开关闭合后，低压直流电通过振荡变压器变成高压交流电，再经整流器向主电容器C4充电。当主电容器的电压上升到某一额定值时，指示氖灯点燃。经过约30秒钟即可按快门释放钮，同步开关SS闭合，主电容器经触发线圈向闪光管放电，闪光管闪光。



　　自拍机构 　在摄影过程中起延时作用以供摄影者自拍的装置。使用自拍机构时，首先释放延时器，经延时后再自动释放快门。自拍机构有机械式和电子式两种。机械式自拍机构是一种齿轮传动的延时机构（图19），一般可延时8～12秒。扇形齿轮的缺口控制着快门的释放。在弹簧的作用下，扇形齿轮作旋转运动，经齿轮系的加速传动使擒纵轮和卡子（擒纵叉）做无固有周期的擒纵运动，从而实现延时。电子式自拍机构利用一个电子延时线路控制快门释放。

备注：数据仅供参考，不作为投资依据。