相机成像原理
1 成像原理
成像分为两种，一种是没有凸透镜也就是小孔成像，另外一种是靠凸透镜成像
1.1 小孔成像
1.1.1 原理解释：
- 光的直线传播：光从物体的每个点发出，沿着直线传播。因为小孔很小，仅允许非常细的光线通过，因此只有从物体上特定点发出的光线能穿过小孔，到达盒子内的某一特定点。
- 倒立成像：由于光线的直线传播特性，物体顶部的光线通过小孔后会落在屏幕的底部，而物体底部的光线会落在屏幕的顶部。这样，屏幕上就形成了物体的倒立像。
- 像的清晰度：小孔越小，成像越清晰，但亮度会降低；如果小孔太大，成像会变得模糊，因为多个光线可以从不同方向通过小孔到达同一点。
1.2 凸透镜成像
在相机中透镜充当了小孔的作用:
物体到透镜光心的距离称为物距，而物体经透镜所成的像到透镜光心的距离称为像距。则凸透镜与凹透镜的成像满足以下公式：$\frac{1}{u} + \frac{1}{v} = \frac{1}{f}$。其中$u$为物距，$v$为像距，$f$为焦距。
| 物距(u) | 像距(v) | 正倒 | 大小 | 虚实 | 应用 | 特点 | 物像位置关系 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| u > 2f | f < v < 2f | 倒立 | 缩小 | 实像 | 摄像机 | - | 物像异侧 |
| u = 2f | v = 2f | 倒立 | 等大 | 实像 | 测焦距，相机微距 | 成像大小的分界点 | 物像异侧 |
| f < u < 2f | v > 2f | 倒立 | 放大 | 实像 | 幻灯机、电影放映机、投影仪 | - | 物像异侧 |
| u = f | - | - | - | 不成像 | 强光聚焦手电筒、制作平行光线 | 成像虚实的分界点 | - |
| u < f | v > u | 正立 | 放大 | 虚像 | 放大镜 | 虚像在物体同侧虚像在物体之后 | 物像同侧 |
这些属于物理初中知识，有兴趣的可以去在线演示网站玩一玩。射线光学模拟、几何光学。
2 镜头参数
2.1 焦距
图中O点是镜头的光心,角AOB就是镜头的视角。根据三角形相似的原理：
$\frac{AB}{OM} = \frac{CD}{ON} = \frac{EF}{OP}$
OM和ON称为物距，也就是拍摄物到镜头光心的距离，一般用字母$u$表示。 OP称为像距，也就是成像平面到光心的距离，一般用$v$表示。
$\frac{AB}{u1} = \frac{CD}{u2} = \frac{EF}{v}$
回到公式$\frac{1}{u} + \frac{1}{v} = \frac{1}{f}$。在相机镜头的通常情况下，因为拍摄距离通常都是几米以上，而镜头焦距和像距的很小(以毫米计)，所以物距$u$(也就是拍摄距离)通常比像距$v$和焦距$f$大得多，因此在上述公式中$\frac{1}{u}$可以忽略不计，近似得到$\frac{1}{v} = \frac{1}{f}$。
两边取倒数即$f = v$，也就是像距近似等于镜头焦距（在微距镜头的情况除外）。即
这时候$\frac{AB}{u1} = \frac{CD}{u2} = \frac{EF}{f}$ 。
这时候我们假设$u1 = AB，u2 = CD$。也就是拍摄物体的长度等于拍摄距离，最终的到
$\frac{EF}{f}= 1，EF = f$。
这就意味着：当你使用焦距为f的镜头拍摄一个和你的距离等于其自身长度的物体时，在相机内得到的成像的长度就等于焦距f。
假设你用一个35 mm的镜头，拍一个身高1.8米的模特，而这个模特站的位置 距离你恰好也是1.8米，那么这个模特在相机的CMOS上得到的成像高度是35 mm。
如果你拍一棵距离你5米，高度也是5米的树，那么这棵树的成像高度也是35 mm。如果你换了一支50 mm的镜头来拍，那么这两种情况下成像的 高度就全部等于50 mm。
如果你用的是一台全画幅相机比如佳能的无敌兔之类的，它的CMOS的大小是36×24mm，那也就意味着如果你用35 mm的镜头拍一个x米之外宽度也是x米的东西，那么这个东西在照片上的宽度正好是35 mm，也就是占满整个画面。
反过来说，35 mm的镜头在全画幅上，拍到的场景宽度永远等于你的拍摄距离。那么50 mm的镜头拍到的场景范围大约是拍摄距离的0.7倍，16 mm的超广角拍到的范围大概是拍摄距离的2倍多一点。
用35 mm的镜头最能培养镜头感。
2.2 放大倍率
对焦距离等于PM，而不是OM
最近对焦就是这个镜头最近可以对着多远的东西对焦，再近就没法合焦了。
放大倍率就是像的大小和物的大小的比值，也就是CD/EF或者AB/EF。
最大放大倍率也就是当物体位于最近对焦距离的时候，它的成像大小和它自身大小的比值。
严格地说，只有最大放大倍率大于等于1:1的镜头，才能称得上是微距镜头。一般放大倍率在1:4以上的都可以宣称带有微距功能，拍拍花草神马的也基本够用，但解析度和真正的微距头比起来还是有比较明显的差距的。
微距镜头当达到1:1的放大倍率时，拍摄距离是多近?
结论：当微距镜头的放大倍率为1:1的情况下，此时的对焦距离等于镜头焦距的4倍
$\frac{AB}{u} = \frac{EF}{v}$
1:1时，$AB=EF$，即$u=v$
代入公式$\frac{1}{u} + \frac{1}{v} = \frac{1}{f}$
可得$u = v = 2f$
所以对焦距离$MP = u+v = 4f$
因此，50 mm的微距镜头，最近对焦距 离一般是20 cm左右，而100 mm的微距镜头，最近对焦距离一般是40 cm左右。为什么要说左右呢?因为镜头并不是简单的一片凸透镜，所以其光学性 质和单一的透镜并不完全一样。
因此当拍摄距离越来越近时，从一开始$\frac{1}{u}$忽略不计，随着u的不断变小，v会不断地变大，直到u缩短到2f的时候，v增加到2f(放大倍率1:1的情况)。因此像距v事实上是在f到2f之间变化。
v的变化就是靠移动镜头的光心O来调整。
3 传感器参数
3.1 传感器类型
| 传感器类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| CCD (电荷耦合器件) | - 高图像质量，低噪点。 - 适合低光环境，动态范围广。 - 色彩表现良好。 |
- 功耗高，设备发热量大。 - 价格昂贵，制造成本高。 - 读取速度较慢。 |
| CMOS (互补金属氧化物半导体) | - 低功耗，读取速度快。 - 生产成本低，价格相对便宜。 - 集成度高，具备更多功能（如自动对焦）。 |
- 噪点较高，尤其是在高感光度时。 - 动态范围和低光表现较弱。 |
| 背照式CMOS (BSI CMOS) | - 改善了传统CMOS的低光性能，噪点减少。 - 提高了光线捕捉效率，画质更好。 |
- 成本较高，尤其是早期版本。 - 相比传统CMOS，复杂性增加。 |
| 堆栈式CMOS (Stacked CMOS) | - 速度更快，适合高速连拍和4K视频录制。 - 读取速度快，减少滚动快门效应。 |
- 制造工艺复杂，成本较高。 - 高速性能会导致功耗增加。 |
| 有机传感器 | - 高灵敏度，色彩表现优越。 - 动态范围非常广，细节表现出色。 |
- 仍在研发阶段，商用化较少。 - 成本高，技术成熟度有限。 |
| Foveon X3 传感器 | - 无需拜耳滤色器，原生色彩表现好。 - 每个像素捕捉全部三原色，分辨率高。 |
- 高感光度下噪点较多。 - 读取速度较慢，视频性能一般。 - 受众较小，兼容性问题多。 |
3.2 cmos尺寸
| 画幅类型 | 传感器尺寸 | 备注 |
|---|---|---|
| 全画幅 (Full Frame) | 36mm x 24mm | 与传统35mm胶片相同，视角宽广。 |
| APS-C | 22.3mm x 14.9mm（佳能） | 焦距乘以1.6x的裁剪因子。 |
| MFT (Micro Four Thirds) 4/3画幅 | 17.3mm x 13mm | 焦距乘以2x的裁剪因子。 |
| 中画幅 (Medium Format) | 44mm x 33mm（常见尺寸） | 比全画幅更大，实际尺寸因厂商和型号而异。 |
| 1英寸 (1-inch) | 13.2mm x 8.8mm | 常见于高端便携相机，焦距乘以2.7x的裁剪因子。 |
| 2/3英寸 | 8.8mm x 6.6mm | 常用于高级紧凑型相机。 |
| 1/2.3英寸 | 6.17mm x 4.55mm | 常见于智能手机和普通数码相机。 |
| 1/3英寸 | 4.8mm x 3.6mm | 常用于入门级数码相机和部分智能手机。 |
 |
| 画幅类型 | 适用场景 | 特点 |
|---|---|---|
| 全画幅 (Full Frame) | - 专业摄影：人像摄影、风光摄影、婚礼摄影 - 低光拍摄：夜景摄影、星空摄影 - 高动态范围要求的场景 |
- 高图像质量和低噪点 - 浅景深，背景虚化效果好 - 较高的感光度表现，适合弱光环境 - 设备较大较重，价格较高 |
| APS-C | - 旅行摄影 - 体育摄影 - 日常拍摄和街头摄影 |
- 兼顾图像质量和便携性 - 焦距等效值较大，适合远摄 - 相对全画幅，景深较深 - 设备轻便，价格适中 |
| MFT (Micro Four Thirds) | - 旅行摄影 - 视频拍摄 - 街头摄影、纪实摄影 |
- 设备小巧轻便，便于携带 - 焦距乘以2倍，远摄能力强 - 景深较深，适合风景摄影 - 低光表现一般 |
| 中画幅 (Medium Format) | - 商业摄影：时尚摄影、广告摄影、产品摄影 - 艺术摄影 |
- 极高的图像质量和动态范围 - 浅景深，背景虚化效果极为显著 - 适合打印大尺寸作品 - 设备笨重，价格昂贵 |
总结
- 全画幅 提供最佳的平衡，适合多种专业用途。
- APS-C 兼顾性能和价格，适合大部分摄影爱好者。
- MFT 强调便携性和景深控制，适合旅行和视频拍摄。
- 中画幅 追求极致画质，适合商业和高端摄影领域。