解構拍攝與光學現象 透鏡、對焦、觀景窗、五稜鏡、感光元件、光電效應｜STEM教室

「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？就讓我們趁着之前學習過光學現象，今次繼續以光為主題，探討相機與影像的相關原理吧！

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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。

單眼／單鏡反光相機（又稱單反相機）

單反相機內部結構

（圖一）單反相機的內部結構（從側面觀看）。

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。

焦距是取決於透鏡自身的特性，如物料、形狀、厚度等

（圖二）透鏡公式示意圖。左方向上箭嘴（AB）的光綫穿過透鏡（O為其中心） 後，在右方向下箭嘴CD處形成影像。ho和hi分別是物件與其影像的大小，兩者的比例會因u和v的比例而改變。

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。

焦距是相機鏡頭一定會標示的規格之一，不少相機鏡頭都能調校焦距。圖中鏡頭的焦距為55mm–250mm，數字愈大代表放大能力愈強，即是能夠把很遠的地方拉到眼前，可是這亦代表拍攝範圍變窄。因此，假若我們想要拍攝範圍大的建築物，通常會使用焦距較小的鏡頭；若想記錄遠處一些小物件的細節， 則可以扭動變焦環，把焦距調高。

不同鏡頭的焦距比較

→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。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）這款鏡頭既可調整焦距，亦可調整F值。拍攝遠距離物件時，我們須設定大焦距，這亦要求F值變大，卻會令較少光綫能進入相機， 因此我們需要增加快門時間，又或是提升ISO（感光度），但雜訊亦會增多。

觀景窗與五稜鏡

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。

觀景窗

（圖五）單反相機的屋頂形五稜鏡，能夠把光綫由垂直變成水平，影像不會上下倒轉，但會左右反轉回正常的模樣。

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）金氧半電容。頂層（ 紅色）為多晶矽（polysilicon）或金屬，作為能夠導電的閘極；下一層（天藍色）為絕緣的二氧化矽（silicon dioxide），隔絕光電子走到金屬之外的電路；下面的兩層則分別為n型和p型半導體。當我們在頂部的導電層駁上正極，這些位置能夠釋放光電子；而駁到負極的位置則會形成電荷屏障，從而困住中間的光電子。

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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。試想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。

感光元件影響相片質素

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！

Canon公司的CMOS感光元件

不同尺寸的感光元件比較（DCFever圖片）

文：劉心、星島中學學生報《S-FILE》編輯部；圖：星島圖片庫、維基百科、Olympus Life Science、DCFever、網上圖片