照相机成像原理 | 照相机成像原理是什么

照相机成像原理是什么

照相机是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，是用于摄影的光学器械。在现代社会生活中有很多可以记录影像的设备，它们都具备照相机的特征，比如医学成像设备、天文观测设备等。

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，分为一般照相与专业摄像。

照相机成机的时间是1839年。

法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，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，来控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像。

照相机初具模型（暗箱）的时间是在15世纪，是艺术家用作绘画的辅助工具，到1550年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于暗箱的针孔位置上，映像的效果比暗箱更为明亮清晰 。

照相机原理的起源而更早，大约在两千四五百年以前。

我国的学者—墨翟（墨子）和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原因，指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。

扩展资料：

1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，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，来控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像。

1841年光学家沃哥兰德发明了第一台全金属机身的照相机。该相机安装了世界上第一只由数学计算设计出的、最大相孔径为1：3.4的摄影镜头。

1845年德国人冯·马腾斯发明了世界上第一台可摇摄150°的转机。1849年戴维·布鲁司特发明了立体照相机和双镜头的立体观片镜。1861年物理学家马克斯威发明了世界上第一张彩色照片。

1860年，英国的萨顿设计出带有可转动的反光镜取景器的原始的单镜头反光照相机；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，构成了双镜头照相机的原始形式；1880年，英国的贝克制成了双镜头的反光照相机。

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这是一个复杂的生物、物理和化学过程。

1、生物过程：能看到物体，需要经过一个复杂的传递和视觉过程。在看物体时，由所看物体反射的光线，透过角膜、晶状体、玻璃体的折射，在视网膜上成像，形成光刺激。视网膜上的锥体细胞和杆状细胞受到光刺激后，经过一系列的理化变化，转化成神经冲动，由视神经传到大脑皮层的视觉中枢，此时我们就可以看见物体。

2、物理过程则不必多说，这是一个小孔成像原理；

3、化学过程：在看物体的过程中，眼睛和大脑能正常地发挥作用是缺一不可的。若某人虽然视网膜的功能正常，但由于角膜白斑或白内障等，不能使物体反射的光线传导到视网膜上，视网膜的光刺激不能传导到大脑，也看不见物体。【问题解析】有的人虽然眼球和神经通路均正常，但大脑皮层管视觉的部分有问题，如脑肿瘤或眼外伤等，也不能看见物体。所以要想看见物体，必须有正常的眼睛、视神经和大脑皮层管视觉的一部分，缺一不可。

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照相机成像的原理是凸透镜成像，眼球的角膜相当于照相机的镜头，瞳孔相当于照相机的光圈，眼底相当于照相机暗室的壁，视网膜相当于照相机的胶卷.

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照相机的成像原理：照相机的光学成像系统是按照几何光学原理设计的，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。

照相机摄影时必须控制合适曝光量，也就是控制到达感光材料上的合适光子量。因为银盐感光材料接收光子量有一限定范围，光子量过少形不成潜影核，过多形成过曝，图像不能分辨。用光圈改变镜头通光口径大小，控制单位时间到达感光材料光子量，用改变快门开闭时间控制曝光时间长短。

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简单讲就是相机CMOS感光原件的感光速度，是决定成像曝光最重要的因素之一上面一排设置，尺寸，闪光，定时测光，滤镜

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1、传统相机成像原理

镜头把景物影象聚焦在胶片上成像，片上的感光剂随光发生变化，片上受光后变化了的感光剂经显影液显影和定影，形成和景物相反或色彩互补的影象。

2、数码相机成像原理

光线透过镜头投射到感光元件表层，光线被感光元件表层上滤镜分解成不同的色光，色光被各滤镜相对应的感光单元感知，并产生不同强度的模拟电流信号，再由感光元件的电路将这些信号收集起来，模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号，再由DSP对这些信号进行处理，还原成为数字影象，数字影象再被传输到存储卡上保存起来。

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照相机的原理是光的折射。

照相机是利用透镜把光线通过折射成像到感光片上。传统相机是把光线成像到感光胶片上，产生光化学反应，再经过胶片冲洗和照片洗印而获得照片。现在的数码相机的感光元件是CMOS，通过CMOS把光信号转化成电信号，再存储到数据存储器内。记录的数据通过打印设备印制出照片，或通过显示设备显示出来。

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视觉成像

人眼的结构相当于一个凸透镜，那么外界物体在视网膜上所成的像，一定是实像。

当物体与凸透镜的距离大于透镜的焦距时，物体成倒立的像，当物体从较远处向透镜靠近时，像逐渐变大，像到透镜的距离也逐渐变大(投影仪的原理);当物体与透镜的距离小于焦距时，物体成放大的像，这个像不是实际折射光线的会聚点，而是它们的反向延长线的交点，用光屏接收不到，是虚像。

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●用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到CCD上。

CCD成像原理

●当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。

●CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。

●经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。

●不过单依靠第4步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设定而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。

●最后，图像文件就被写入到存储器上

照相机成像原理是什么如何调节镜头

镜头的光学特性是指由其光学结构所形成的物理性能，由焦距、视场角和相对孔径三个因素组成。任何一种光学镜头，都可以由这三种光学特性的技术参数来表示和区分。

（1）焦距 摄像机的镜头都可被看成为一块中间厚、边缘薄的凸透镜，光线穿过透镜会聚成焦点，焦点至镜头中心的距离即为该镜头的焦距，焦距的单位是毫米（mm）。 镜头焦距的长短与被摄对象在摄像管光电靶面上的成像面积成正比。

如果在同一距离上对同一被摄对象进行拍摄，镜头焦距愈长，那么成像面积越大，放大倍率越高；反之，镜头焦距愈短，则成像面积越小，放大倍率越低。

通常，我们把焦距与像平面对角线接近或相等的镜头称为标准镜头。一般的摄像机光电靶面成像面积约等于16毫米电影摄影机的画幅像平面，标准镜头焦距通常为25毫米。焦距大于像平面对角线的镜头，称为长焦距镜头。焦距小于像平面对角线的镜头，称为广角镜头。焦距可发生变化的镜头，称为变焦距镜头。

（2）视场角 镜头的视场角，是指摄像管有效成像平面（视场）边缘与镜头后节点所形成的夹角。

从造型角度上讲，镜头视场角反映了摄像机记录景物范围的开阔程度（镜头视场角分为水平视场角和垂直视场角，本章所用视场角均指水平视场角）。镜头视场角与被摄对象在画面中的成像效果成反比。视场角愈大，被摄主体成像越小，画面景物越开阔；反之，视场角愈小，被摄主体成像越大，画面景物的视野越狭窄。

视场角主要受镜头成像尺寸和镜头焦距这两个因素制约。由于摄像管成像靶面在实际拍摄中是不变的固定因素，所以直接影响视场角的就是镜头焦距了。我们拍摄时一般只能通过变换不同焦距的镜头来改变视场角。

摄像机在同一距离上对同一被摄对象进行拍摄时，使用不同焦距的镜头会改变该对象在画面中的成像面积和背景范围。

这实质上是由于视场角发生了相应的改变。

比如，一个视场角为50°的镜头所拍得的被摄主体在画面中只有视场角为5°的镜头拍得的图像面积的1/10。镜头焦距越长，视场角越小；焦距越短，视场角越大。标准镜头（25mm镜头）所呈现的视场角大约在45°左右。广角镜头（焦距小于25mm）的水平视场角均大于60°，一般处在60°-130°之间。130°以上到180°之间的镜头被称为超广角镜头，又称为鱼眼镜头。

长焦距镜头（焦距大于25mm）的水平视场角小于40°。

（3）镜头的相对孔径是指镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，其大小说明镜头接纳光线的多少。

相对孔径是决定镜头透光能力和鉴别力的重要因素。

相对孔径(D/f)的倒数(f/D)被称为光圈系数(F)，被标刻在镜头的光圈环上。摄像机的镜头光圈系数分为若干档，常见的有1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、12、16、22等，相邻两档光圈F值的比值均为，曝光量相差一级。

由于像平面照度和相对孔径的平方成正比，所以F值变化一档，相当于摄像机镜头的光通量变化一倍。

在摄像时我们说开大光圈，实际上是从光圈调节环上大F值向小F值的一端运动，即减小了光圈系数值；而缩小光圈，则是从小F值向大F值一端运动，光圈系数值加大。

比如，从光圈8调到光圈5.6，就是开大了光圈，光通量增大一倍，曝光值增加一级。

反之亦然。

对相对孔径和光圈系数的调节，决定了镜头的光通量和镜头景深。对摄像机的镜头进行光圈选择，实质是一个曝光控制的问题。现在的摄像机通常都有手动光圈和自动光圈两种控制方式。自动光圈只能对被摄场景的曝光控制作出技术性处理，而有意识、有目的的动态用光和艺术处理只能由手动光圈才能更好的表现。在拍摄同一照度下的同一场景时，光圈越大，景深范围越小；光圈越小，景深范围越大。镜头曝光的有意图控制和不同景深的选择性运用，是摄像人员实现创作意图取得最佳画面效果的有效手段。

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在了解光学镜头的构造之前，我们还是先来说说相机镜头的原理吧，相机成像的原理主要有两种，一种小孔成像，这样的成像原理我们在小学时或许就已经教过，假设孔小到只允许一条光线通过，那么这条光线不论落到哪里，都可以成像。一个物体发出的所有光线穿过小孔之后在任何平面或曲面上都可以形成一个倒像。因此在小孔成像中，有和凸透镜成像不一样的特性：感光材料可以是任何平面或者曲面，并且景深是无限的。

小孔成像

但小孔成像假设的是从一个点发出的光线经过小孔时小孔只允许一条光线通过，这样才会让成像清晰完整，实际上这样的小孔是不可能做出来的。所以在现实中早期的手机摄像头采用小孔成像，后来都普遍使用支持对焦的凸透镜（convex）成像，这个大家在中学物理都学过，垂直于凸透镜中心的平行光透过凸透镜会汇聚在一点，这一点称为焦点（focal point），而凸透镜到焦点的距离称为焦距（focal length），这也是我们选购镜头所常常关心的一个参数。从一个点光源有光线向各个方向发出，其中垂直与凸透镜的那一条会穿过焦点，穿过凸透镜中心的那一条会保持其方向，这两条线会相聚于一点，而从点光源发出的其他光线穿过凸透镜后也会汇聚于同一点，这个汇聚点就称为点光源的“像”。如果一个平行于凸透镜的平面物体，其各点的像也会在一个平面上，这个平面就成为相平面（image plane）。我们拍照的时候要聚焦，就是移动镜头的位置，使得相平面和感光材料重合。如果不是平面物体，那么就必然只有一部分的相平面与感光材料平面重合，这就产生了景深（depth of field）的概念。因此在凸透镜成像中，一般有这样的限制：感光材料一般要求是平面的，而且景深是有限的。

相机镜头结构

手机镜头结构

透镜实际上有三种不同的分类，平面镜、凸透镜与凹透镜，事实上第一种简单来说就是完全透光的平面玻璃，这种玻璃只可能在镜头前面作为UV镜存在，而另外两种里中央部分比边缘厚的透镜叫凸透镜，凸透镜能会聚光线，也叫会聚透镜；中央部分比边缘薄的透镜叫凹透镜。凹透镜能发散光线，也叫发散透镜。

摄影镜头成像原理

正是这两种不同的透镜组成了不对称的光路折射，以达到在有限尺寸的传感器上表现出更加宽广的成像面积，而这样的原理正是与人眼的构造相类似，不管怎么说，摄像头都需要有一个光路的的延伸，而在普通的可换镜头相机上则有像场定位距离这么一说，指的就是身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离。