当我掌握了定格光影的魔法—小小假期，拿下！（堆栈球游戏）

清明假期刚刚过去，大家有没有选择到哪里郊游踏青呢？在看见精美的景色、动人的瞬间时，小编总会有留着这瞬时美丽的冲动。

无论是用手机、相机、拍立得，拿起身边的设备记录下小伙伴们出游时的精彩瞬间，总是一个不错的选择。相机能够捕捉到我们身边精彩的光影瞬间，那么这些拍摄设备是基于怎样的物理原理工作的呢？又蕴含着哪些物理基本知识呢？

小编在踏青中拍摄的美景

要了解相机或是手机摄像头的基本原理，我们得首先了解拍摄设备的基本结构。相机与手机的拍摄原理相似，可以被简单地理解为镜头、图像传感器和处理器三个部分组成。

图1. 单反相机的光路示意图

1. 镜头

镜头能够改变进入的光线的光路，使光线能够在传感器上形成一个清晰的像。那么光线通过镜头是如何成像的呢？我们首先得了解关于光线的一些成像性质。

光是人类生活中最早接触到的自然现象。春秋时期，《墨经》中记载了最早的小孔成像实验。一个发光源发出的光线向四周方向进行辐射，但是仅有经过小孔的光线能够在照射在光屏下，形成对应光斑。基于相同的原理，发光源的其它位置发射的光线也仅有穿过小孔的光线能够达到屏幕，并形成光斑，这些达到屏幕的光线最终形成了一个倒立的实像。小孔成像的实验现象说明，光线是沿着直线传播的。这也是人类最初认识到的光线的性质。

图2. 小孔成像的光路示意图

相机成像并非是基于简单的小孔成像原理实现的。小孔成像的结构原理非常简单，但是成像的光线较弱，只有经过小孔的那部分光线才能够被用于成像，因此光线的利用率低。如果要利用小孔成像的原理形成图片，则需要曝光较长时间。因此，相机常利用透镜成像。

图3. 最早的机械照相机

相机成像的光路较为复杂，但是其基本成像原理简单而言可归纳为透镜成像。透镜是一类能够改变光传播的路径的复杂光学系统，我们在此仅讨论理想透镜模型。这里，我们就以最简单的凹、凸透镜模型为例做基本原理的介绍。

对于对称的凹（凸）透镜，穿过透镜中心的透镜对称轴位置与对称凹（凸）透镜的光轴位置重合。凸透镜对光束有汇聚作用。平行于透镜光轴单色平行光束经过理想的凸透镜被折射，折射光能够汇聚于一点。凹透镜对光束有发散作用。单色的平行光束经过理想的凹透镜被发散，折射光的反向延长线能够交于一点。落在光轴上的几何的交点的位置被称为透镜的焦点，如图4F’点所示。

图4. 无穷远物点的成像 | 知乎

经过透镜焦点与透镜光轴垂直的平面被称为透镜的焦平面。对于不平行于光轴的平行单色入射光，光线经过折射后汇聚的点会落在像平面上。透镜的焦点与透镜中心之间的距离称为焦距。焦距常被用于衡量透镜汇聚或是发散光的能力。

图5. 平行光经过光学系统后，光路交点经过焦平面 | 知乎

实际上，我们生活中接触到的透镜系统成像并非完美的，光学经过透镜后会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺点。像差的成因较为复杂，按照光谱可被分为单色像差和多色像差。其中，单色相差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变。

实际的光线经过透镜的折射后不再形成一个完美的点像，而是形成一个弥散的斑。球差表示实际的光线经过透镜形成的像点位置与理想像点之间差异。

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图6. 形成球差的光路示意图 | 知乎

由于球差的存在，不同视场的主光线经过透镜成像后，成像位置与理想的成像位置并不重合。透镜的畸变衡量的是实际成像与理想成像的差别。

图7. 相机镜头畸变形成的图像示意图 | 知乎

对于一束呈锥状入射到透镜系统的光束而言，经过透射折射后，光束并不能汇聚为清晰的一点，而只能汇聚成一个弥散的光斑。像散衡量光学系统导致的此类成像误差。对于一束对称光束而言，光束入射透镜系统后，折射后的光束失去对称性，这类成像误差被称为彗差。像差的存在严重影响着光学系统成像的能力，对像差的研究与消除也是非常重要的领域。

2. 图像传感器

图像传感器属于芯片的一类，能够接收光信号，并将光学信号转化为电学信号，是整个拍摄设备的核心原件。目前图像传感器包括CMOS和CCD两类。CCD传感器在色彩饱和度方面具有优势，但是缺乏硬件降噪，在高感光度下表现逊于CMOS传感器，并且CMOS传感器的制造成本低于CCD传感器。因此，目前的商业相机、手机摄像头中常采用的传感器为CMOS传感器。

图8. 相机传感器的示意图

根据CMOS传感器的结构不同，可被分为前照式、背照式和堆叠式传感器。其中，前照式结构和背照式结构的区别如图9所示。在前照式结构中，金属电路层被置于感光二极管层之上。光线首先通过透镜与滤色片，进入金属层，最终到达感光层。由于金属层对光线的反射等阻碍，相当一部分光线无法被有效利用，进而会限制图像成像效果。

图9. 前照式传感器和背照式传感器的区别

背照式结构则是将感光二极管层置于金属层之上。这种排布方式极大提高了光的利用率，可以提高传感器灵敏度，改善暗场环境下的成像质量。感光二极管层置于金属电极层之上的前提，是感光二极管层的厚度需要被不断减薄。从前照式到背照式的改进，金属电极层与感光层顺序的简单调整蕴含着微纳工艺水平的进步。

图像传感器由大量的基本感光元件构成，每一个感光元件被称为传感器的像素点，也是传感器的最小感光单位。像素点的尺寸一般在平方微米级别。当传感器接收到外界的光束后，传感器上的像素点能够将落在像素区域内的光斑的频率与光强信号转化为电学型号，这些电学型号会被输入至处理器中。经过处理器的算法处理，光学图像最终以数字图像的形成呈现在我们的眼前。

镜头和图像传感器是摄像设备中最重要的组成部分，共同决定了最终得到的数字图像的质量与分辨率。光学系统存在像差，因此无法形成理想的像。由点发出的光线经过镜头这类光学系统汇聚后，在成像的平面上只能形成具有一定尺寸的光斑。好的光路设计能够降低像差对光学系统的影响，从而减小光斑的尺寸，并减小成像的畸变，在相同的画幅范围内形成更高素质的像。

图像传感器也是影响成片素质的重要因素，传感器的硬件因素影响着相机的解析度、动态范围、抗噪点等方面的表现。传感器的像素数量是我们常常会考虑的一个因素。作为传感器的最小感光单位，每个像素只能记录一种色彩信息。像素的尺寸、密度、排列方式及滤镜也影响着数字图像的质量。在一定的光学系统加持下，相同画幅下，提升像素的密度能够在一定程度上提高图像传感器的解析力，从而提高成像的分辨率。实际上，商业化相机为了更加实用，还包括了存储单元、相机取景器、显示屏、散热系统等组件，本文仅对较为重要的镜头和图像传感器做主要介绍。