「舉機」前 想一想 解構拍攝與光學現象
2021.11.17

今期熱話

「每張都罕有 拍下過記住過好過擁有」——陳奕迅的〈沙龍〉唱出不少關於相機與攝影的專有名詞,例如「對焦」、「光圈」、「菲林」等等。相信大家都經常聽到這些詞語,但當手機拍攝已變得流行,而自動對焦等技術普遍,大家有想過你每次「舉機」運用上哪些技術?就讓我們趁着上期學習過光學現象,今次繼續以光為主題,探討相機與影像的相關原理吧!



基本認知:相機的結構

現今相機款式五花八門,讓人看得眼花繚亂,而且配件繁多,要掌握相機的所有功能並不容易。這裏,我們就以最常見的單眼/單鏡反光相機(又稱單反相機)入手,先來拆解相機的內部結構。

圖一


當外來光由圖一的左方進入後,會經過一系列透鏡(1)→再經由一面鏡子(2)把光反射上去→穿過對焦屏(5)與聚焦透鏡(6)→光會經由五稜鏡(7)到達觀景窗(8),這樣我們的眼睛就能看到相機看到的影像。

當我們確定要拍攝時,只須按下快門按鈕,鏡子就會擺向上,光綫就能向前走,並在快門簾(3)打開的一瞬間抵達在其後的感光元件(4),一張相片就已拍下。

圖一的結構只是一部單反相機的基本結構,現時的電子相機還會有一些如自動對焦及自動曝光的組件。接着,就讓我們深入解構上述配件,了解一部相機如何製作影像吧!

解構配件:透鏡與對焦

→透鏡公式

我們於上一期了解過甚麼是折射,亦即是當光由一個介質到達另一介質時,因為物料結構的不同而令光綫的速度與方向都出現改變。然而,我們觀察一個物件時,並不只有一條光綫進入我們的視綫,而是有很多光綫從不同角度走來的。透鏡就是把這些不同角度而來的光綫聚焦到一個平面上;換句話說,在這個平面上,我們會看到一個清晰的影像。數學上,我們能夠以透鏡公式來找到這個聚焦點在哪裏;設定物件與透鏡的距離為u,影像與透鏡的距離為v,透鏡公式便指出:



f為透鏡的焦距,即是假設光以平行綫的光束(或是在很遠的地方)到達透鏡時,焦點與透鏡的距離,而焦距是取決於透鏡自身的特性,如物料、形狀、厚度等。

圖二


從圖二,我們可以看到物件及影像與透鏡的距離,如何決定影像的大小。我們定義放大倍數M為hi/ho = v/u;在相機裏,v大約為透鏡至感光元件的距離,因此,當我們選擇了合適的鏡頭並設定了焦距後,我們就可以得出u,並因而得知放大率。

→對焦與光圈

設定了焦距後,我們還要調整對焦範圍,亦即所謂的景深。拍攝近距離的物件時,有時為了突出該物件,我們會把背景變得模糊,這就是淺景深;反之,拍攝遠距離的東西,則通常使用景深較深的焦距範圍。

圖三


要調整景深,我們可以改變光圈數值。光圈決定鏡頭孔徑的大小,大的光圈代表更多光能夠進入鏡頭裏,同時會令對焦範圍變小,反之亦然。購買鏡頭時,通常一個數字會出現(F/#,#為數字,見圖四),這數字稱作F值(又名焦比,是焦距與孔徑大小之比),由於F值與光圈成反比,因此F值愈大,其實代表光圈愈小;光量變少,同時景深變深。

圖四


觀景窗與五鏡

按下快門之前,我們會先從觀景窗看看即將拍下的影像是否符合我們的要求。當光綫打到鏡子時,反射會使光走向上;穿過聚焦透鏡時,焦距會稍為改變,從而令光能在到達觀景窗以至我們的眼睛時,形成清晰的影像。

為了令影像由垂直向上變為水平進入視覺,同時不會令影像倒轉,便須運用五稜鏡。五稜鏡是一塊五角柱體的玻璃,然而入射的光綫在五稜鏡中反射時,由於入射角小於臨界角,不能出現全內反射,因此需要在這些反射的表面鍍上反射鏡面。另外,由於透鏡同時會構成左右反轉,因此單反相機內的五稜鏡會變成「屋頂形」設計,令影像重新反轉成正常方向。

圖五


感光元件與光電效應

當我們從觀景窗中確定要拍下的影像後,就可按下快門。此時,鏡子會轉向上,光綫就不能打到它再反射上去。因此,觀景窗會變成漆黑一片,而光綫在相機裏會繼續直綫前行;同一時間,快門簾會打開。這一連串的機械移動,就是拍照時「咔嚓」聲的由來,光就會抵達感光元件。舊式相機會利用膠捲底片(即菲林)來收集光綫,現時的相機則會用上感光耦合元件(CCD),其運作原理與上期提到的光電效應有關。光電效應是指光抵達物料時,若符合能量需求,就能刺激物料釋出電子,產生電流。

那麼,我們應該選用甚麼物料呢?這就須要認識一下半導體。

→半導體:儲存光電子

我們知道金屬能夠導電,絕緣體則不能,而半導體就介乎兩者之間,只要有一定能量輸入,其電子就能被刺激至高能量狀態,能夠較自由地移動。當這些帶負極的電子離開原本中性的原子時,留下來的空位會被稱為帶正極的「電洞」或「電子孔」,我們能夠通過摻雜不同物料來製造較多自由電子的n型半導體,或是較多「電洞」的p型半導體。之後,若我們如圖六所示建構一個金氧半電容(metal oxide semiconductor (MOS)capacitor, M是金屬,O是氧化物,S是半導體),就能把光子激活了的光電子儲存起來。

圖六


補充資料

像素與相片質素


圖六的結構是一個CCD的基本構成部分,代表了一個像素。當我們在閘極處按序施加正負極,就能把電荷傳送到下一個MOS電容中。試相像一個二維電容陣列:電荷先由「縱向輸送帶」運送到陣列的其中一邊,然後再由「橫向輸送帶」把該像素所收集到的電荷送到一個收集器;接着,這個收集器就會把電荷「翻譯」成電壓,再將此信號放大及電子化,我們就能把每個像素的光資訊投放在屏幕上顯示。

CMOS運行較快速

除了CCD,另一款愈來愈流行的感光元件是CMOS(互補式金屬氧化物半導體,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),其原理與CCD相似,但不同的是,在每個像素裏先把電荷轉化為電壓以及放大信號,然後再逐行接收信號(CCD設計是逐個像素收集光電子信號),因此CMOS的運行速度會較快。

隨着近年CMOS的雜訊干擾問題得以改善,愈來愈多高解析度相機都選擇以其作為感光元件。

現今半導體技術以及成像技術已趨成熟,在可見的未來,相機的速度及拍攝出來的畫質預期可持續進步,而款式將會愈來愈輕巧,甚至與智能手機結合,在小小的手機裏拍到如相機質素的相片。

大家下次拿起相機或手機,不妨欣賞背後複雜的光學科技應用吧!

載自2021年11月17日《S-file STEM/理科》

文:劉心