捕捉瞬間–相機大觀園|最新文章

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捕捉瞬間–相機大觀園

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廖偉全｜義守大學生物科技學系

楊智惠｜義守大學生物科技系

黃耿祥｜義守大學生物醫學工程學系

陳智信｜義守大學生物醫學工程學系

想留住美好的瞬間，除了用記憶外，還可以使用照相機。按下快門，喀嚓一聲，澎湃的海洋、高聳的山峰、灑落的夕陽、燦爛的煙花、純真的笑靨，這些美麗的山水風景與情境都可以清楚地記錄下來。曾經有一個廣告詞說：「它（相機）抓得住我！」相機造就了相關產業的蓬勃發展。相機成像的原理與稱為靈魂之窗的「眼睛」類似！相機記錄了瞬間使成永恆，幫助我們留下美好回憶。

相機科技的發展讓大眾更容易記錄生活的點點滴滴，相機發展史中的經典作品包含：數位相機、光學相機、單眼相機、傻瓜相機、感光耦合元件、互補性氧化金屬半導體、廣角鏡頭、望遠鏡頭等。複雜的名詞總是讓我們頭昏腦脹，但是生活中又常常聽到，就讓本文帶您參觀相機大觀園吧！

相機的類型

市售相機主要可分為光學相機與數位相機，以不同方式儲存影像。

光學相機　這一類型利用化學物質在膠片上儲存影像，以機械式相機為主，利用齒輪及彈簧的機械力驅動快門與手動捲片，優點是可靠性高、受氣溫影響較低等，缺點是會有機械彈性疲乏問題、振動與噪音較大等。隨後改良產品電子式相機問世，主要是利用半導體振盪器計時、電磁控制快門、以馬達自動捲片。優點是精確度高、安靜、操作方便；缺點是低溫時電池耗電較快、耐用性稍低。

數位相機　也稱為數碼相機，數位相機（digital still camera）是光學、電子元件、精密機械一體化的產品。其核心是感光元件，在光線作用下把光的強度轉化為電荷累積量，隨後通過晶片轉換為數位訊號（1與0的訊號）。經過壓縮後可儲存在快閃記憶體裡，可透過各種方式把影像檔案傳輸到電腦，並以相關軟體修改與處理。

相機的演進史

針孔相機　相機的英文camera源自於拉丁文camera obscura，意指黑暗房屋。技術的原理源自於11世紀就有的發明—針孔成相。針孔成相是使用一大和一小紙盒，大紙盒一頭的中心有細針所扎的一個小洞，把小紙盒置入大紙盒中，再點燃蠟燭，拿起紙盒對準燭光，就可以發現蠟燭投影在小紙盒上，並且是以上下顛倒、左右相反的方式呈現，前後推動紙筒會看見清晰或模糊的影像。

這個現象是因為光以直線行進，而大紙盒上的洞只讓一束光線進入。換言之，假設燭火頂端是A光線，蠟燭底部是B光線，當二光線通過針孔時，兩光線交會後繼續前進，這時原本在上端的A光線變成在下方，而B光線變為在上方。接下來若前後推動紙筒，會看見清晰或模糊的影像。

第一台相機　1822年，達蓋爾（Louis J. M. Daguerre）與尼埃普斯（Nicephore Niepce）一起研究照相技術，並且在1837年成功開發出名為「達蓋爾照相術（Daguerreotype）」的銀版照相技術。1839年第一台相機問世。

首台具現代雛型的相機　1914年以前主流的相機仍停留在笨重木箱的階段，直到奧斯卡‧巴納克（Oskar Barnack）製作了第一台小巧的徠卡原型相機。它的外型是金屬鏡頭與機身，使用焦平快門，因無法關閉快門，所以利用轉動式鏡頭蓋的設計，在捲片時蓋住鏡頭，防止曝光。

首台數位相機　1980年代電腦軟硬體設備快速普遍化，大眾不滿意舊式光學相機軟片不易保存、沖洗後的相片容易黃化（氧化），也期待相機能數位化，以保存與處理影像。1975年，美國柯達公司發明第一台數位相機，日本新力公司也在1981年推出了一台數位相機—MAVICA，這相機主要是以感光耦合元件（charge coupled device, CCD）代替傳統底片。當時半導體儲存技術尚未成熟，在相片畫質方面僅能差強人意，但已開啟了相機科技的嶄新時代。

相機的科技競賽

1822年–達蓋爾在一個小丘上作畫時，突發奇想為何不能把真實的情境保留下來？於是與他的朋友尼埃普斯開始研究。
1826年–達蓋爾發明日光膠版。
1839年–達蓋爾發明世界第一台相機。
1880年–美國的喬治‧伊士曼（Geroge Eastman）發明了感光膠片後，創立「柯達」公司。在1885年把膠片製成卷狀，並在1888年發表新式的照相機，標題是「你只要按下快門，之後的一切我們會幫你」。
1934年–吉田五郎因信奉觀音菩薩，所以把製造出的第一台小型相機取名為觀音（kannon）。但在把相機推上市場前，聽取建議更名為Canon，這就是家喻戶曉的「佳能相機」。
1935年–柯達發明三原色彩色膠卷。
1937年–蘭度在替家人拍照時，女兒的一句話「若能夠馬上看見照片，該有多好」，便發明了「拍立得（Polaroid）相機」，也就是日後俗稱的立可拍。
1970年–自動曝光相機問世。
1975年–第一台數位相機問世。
1982年–攜帶方便的傻瓜相機（compact相機）問世。
1986年–富士膠卷公司發明連鏡頭膠卷，隨處可買到，並且用完後就可丟棄。
1995年–卡西歐發明數位相機QV-10，其後越來越多類型的數位相機陸續問世。

相機構造面面觀

相機的拍攝過程主要是讓光線經由鏡頭進入機身，攝影者使用觀景窗取景，調整焦距、快門及光圈，確定後按下快門，透過相機的結構便可把欲拍攝的影像投射在鏡身後方的感光元件上，並記錄在儲存單元中。

光圈　眼睛的瞳孔與水晶體是外方光線進入的首站，對應於相機的光圈與透鏡。光圈是由多層的金屬葉片所構成的圈狀孔洞，藉由它可調整光線進入的多寡、強弱。光圈大小則是以f值（f-number）表示，f值越小，光圈孔越大，f值越大，光圈孔便越小。藉由調整光圈的大小，可拍攝出前後景清晰，或前景清晰後景模糊的相片。

鏡頭　透鏡在鏡頭中多以成對的方式存在，且表面多經鍍膜處理，以減少界面反射導致的耀光、眩光等情形，進而提高影像的清晰與呈現度。而藉由透鏡排置的方式，可改變鏡頭焦點距離（焦距，focal length），依焦距，鏡頭可區分為4種類型，分別是標準鏡頭、廣角鏡頭、望遠鏡頭及變焦鏡頭。

標準鏡頭—標準鏡頭的焦距是50 mm、視角53度，呈現的影像與肉眼所見的景物相似，且其光圈值較大，適合拍攝一般風景或人物肖像。
廣角鏡頭—廣角鏡頭焦距是50 mm以下、視角較大、景深較長，在景觀窗觀察到的景物呈現在照片上時會變小，適合拍攝寬闊的全景、風景照。
望遠鏡頭—望遠鏡頭的焦距是50 mm以上、視角較小、景深較短，適合拍攝遠距離的大自然景觀及特寫鏡頭。
變焦鏡頭—顧名思義，變焦鏡頭結合上述三種鏡頭，擁有多焦距（如28 mm～135 mm），可免去更換鏡頭與攜帶的不便，但其光圈無法做到很大，現在多配備於一般高級的傻瓜相機中。

相機機身　機身連接著鏡頭、儲存元件等物件，在現今市場上的相機中，變革最大的便是這結構，況且外觀會影響消費者的購買意願。幾項重要構造如下。

觀景構造—根據觀景構造，傳統光學相機又可區分為雙眼、單眼反射式相機兩種。

雙眼反射式相機結構普遍應用在較低階的傳統傻瓜相機中，多半不可更換片盒與鏡頭。雖然從觀景窗所看到的構圖通常與成像有誤差，但因構造簡單且具自動曝光與變焦鏡頭，所以受多數入門新手喜愛。就單眼反射鏡而言，相機觀景窗的構圖與成像是相同的，且除手動外，也可變更為全自動對焦、曝光，因此日漸取代雙眼反射式相機。而在消費型數位相機上，為了便於調整設定值與即時觀測，現多利用液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）。

曝光構造—其決定單元是快門，藉由這開關控制光線進入的時間長短，單位是以秒計數。而為方便計算，快門的時間大約以1：2的比例增減，通常有 2、1、1∕2、1∕4、1∕8、1∕30、1∕60、1∕250、1∕1000 等，若要讓畫面產生流動感，可使用慢速快門，而對運動中的物體，便可使用快速快門拍照。

感光元件—可分為傳統底片、感光耦元件及互補性氧化金屬半導體3種。

傳統底片是1880年由伊勢曼柯達公司（Eastman Kodak Co）把感光劑溴化銀塗布在賽璐璐（Cellulose Nitrate, 硝酸纖維素）膠片上所製成的，但因賽璐璐有可燃性的缺點，後來被醋酸纖維（cellulose acetate）取代。

感光耦合元件（CCD）是1969年由美國貝爾實驗室的威拉德‧鮑以爾（Willard S. Boyle）與喬治‧史密斯（George E. Smith）所發明的，它是由矽晶半導體製成的積體電路，上有許多排列整齊的電容，當表面受光線照射時，便會產生電荷並反應在元件上，再由轉碼元件還原構成拍攝的影像。這一項技術也讓他們在2009年獲頒諾貝爾物理學獎，評審委員會稱他們的發明為生活創立許多革新，也為科學的開拓發展提供了強大的工具。

互補性氧化金屬半導體（complementary metal-oxide semiconductor, CMOS）主要是利用矽與鍺兩種元素所做成的半導體，藉由N_、P+兩個互補效應所產生的電流記錄與解讀影像。CMOS的缺點是容易產生雜點，這是因為安裝訊號放大器的關係，特別是當處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁，使得雜訊更難以處理。

攝影大師亞當斯（Ansel Adams）說：「當你拍攝風景照時，如果試著在景物前加一個框，你會讓平凡的景物變得極不平凡。」相機便是這個推手！透過相機，我們可以掌握瞬間的感動，保存美好的人事物。相機的科技發展已經悄悄進入我們的生活，功能兼具拍照、錄音、錄影等，因而豐富了我們的生活意涵。相機是我們眼睛的延伸，透過相機記錄了歷史時刻，讓我們用心看世界脈動吧！

資料來源

《科學發展》2013年3月，483期，54 ~ 61頁

相機(8) 感元件(4) 廣角鏡頭(2) 變焦鏡頭(1)

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