第二章 光如何成像（一）

我們從暸解什麼是光線開始，因為光線是攝影的本質和基本要素。到底什麼是光？當您照亮物體並使用鏡片和學習色彩，這可以幫助您了解光的哪些基本特徵？從光線和顏色出發，我們繼續討論主體的表面如何讓它看起來像它該有的樣子，以及光線如何通過玻璃彎曲（折射）以建立可用的影像。

鏡頭是任何相機的心臟。從簡單的放大鏡開始，您可以開始了解攝影鏡頭如何成像。稍後，這將帶您進入相機設備的其他關鍵組件，並使您了解在創作高品質照片時重要的因素是什麼。

光線以直線傳播，這張iPad mini拍攝的台南二寮日出照片中清晰地顯出光線穿過雲層讓行進的方向非常明顯。您無需了解光學即可拍攝出優質的照片，但了解光的行近方式以及鏡頭如何將光形成影像，可以讓您更廣泛地了解攝影。攝影所涉及的原理非常簡單，很容易暸解。

光本身

光是看到和製作影像的基礎。「攝影」一詞本身就是「用光繪畫」。然而，我們對光非常熟悉，幾乎將其視為理所當然。光是您的眼睛敏感的東西，就像您的耳朵對聲音和您的舌頭對味道敏感一樣。光線為我們翻譯了世界，使我們可以透過眼睛觀看。有選擇地使用光線，您可以在相機前面選定拍攝對象的某個面相，並抑制其他方面。視覺信息以調制光的形式通過相機鏡頭傳送到照相感光材料上，而光從最終的沖洗好的印刷品或螢幕的照片反射，使我們能夠看到並欣賞它。此時，從照片反射的光像聲音讓耳朵聽到一樣，將影像的信息帶入您的眼睛，就像我們在聊天，聲音形成鏈接。但是光到底是什麼呢？

可見光是從太陽或類似的輻射源的能量流。它具有四個重要特徵：

1、光的行為就像漣漪穿過水面，好像波浪一樣移動。波長的變化會給我們的眼睛帶來不同顏色的感覺。

2、光在均勻的物質（或介質）中沿直線傳播。您可以看到陽光的「光束」以及陰影如何形成。

3、光以極快的速度移動，在真空中大約每秒300,000公里，它在空氣中的移動速度稍慢，而在水或玻璃等較稠密的物質中的移動速度更慢。

4、光還是由許多具有能量的粒子（稱為「光子」）組成。這使得染料漂白，底片中的化學變化以及數位相機感測器的電子響應等。光越強，光束中所包含的光子就越多。 

波長和顏色

光只是「電磁輻射」的一部分，電磁輻射包括波長可達數百米，直至伽瑪射線和宇宙射線，其波長小於千分之一奈米。每個電磁輻射帶都與下一個互相重疊，但具有自己的特殊性質。某些設備（例如無線電設備）可以遠距離傳輸。 X射線等其他射線會穿透厚鋼板，或破壞人體組織。但是，大多數輻射無法直接被人眼「看見」。我們的眼睛僅對大約400到700奈米（nm, 10^-9 m)之間的窄帶敏感。 因此，有限的波長範圍稱為可見光譜。

當光源產生相對均勻的所有可見波長的混合時，光看起來是「白色」而無色。但是，如果僅存在某些波長，則該光看起來是彩色的。例如，大約400 nm至450 nm之間的波長被視為深紫羅蘭色。如果波長改變為450–500 nm，則該顏色變為藍色。在500 nm至580 nm之間，光看起來為藍綠色，從580 nm至600 nm我們看到黃色。如果光波長變為更長在650 nm下看起來紅色，到達700 nm的極限變暗反應。所以光譜的顏色：紫、藍、綠、黃和紅色，真的都是存在不同種類白光。 

人眼裡包含三種錐狀彩色光受體（接收器），它們響應藍色、綠色和紅色波長的寬重疊帶。當您看到的所有三種受體均受到相同的刺激時，您傾向於體驗為白色或中性灰色。如果波長存在很大的不平衡，也許光包含紅色（長）的光波比藍色（短）波多得多，那麼刺激就不均衡了。在這種情況下，燈光看起來像是橙色，就像每天日出或日落時一樣。

嘗試記住可見光譜的顏色順序。當您需要了解人眼對顏色的響應（色調或色階）用來構圖、或者選擇濾色鏡和暗室工作燈時非常有用。稍後，您將看到如何將三個人類彩色視覺受體的概念來共同響應出全光譜，從而使數位彩色感測器能正常工作。

陰影

從小光源或點光源向各個方向輻射的光，沿直線向外傳播，諸如燈泡或蠟燭之類的小型光源會發出刺眼的光線，並帶有深而尖銳的陰影。晴朗的天空中的太陽（或月亮）也有類似的現象。小型閃光燈或手電筒也可以產生類似的效果。使用小型檯燈或類似的燈嘗試一下，這是一個有用的練習。將描圖紙放在光束中或遮擋直射光，並將其餘部分反射到粗糙的白牆上看看會發生什麼事情？描圖紙可以讓光線通過，但也會將其擴散。穿過描圖紙的光散射成新的光線從其大表面積的各個部分向各個方向輻射。現在，您要照亮的對象會投射出邊緣較柔和的漸變陰影，並且漫射材質越大和越靠近物體，陰影就會變得越不「硬」且反差越小。 這是因為來自大區域的光不能被主體完全阻擋。以前處於陰影中的大多數部分現在至少會受到一些照明。 陰天的陽光是如此的結果， 雲充當擴散器，將光線散佈到更寬的區域。

在實際攝影中，認識到直射、刺眼的照明與柔和、漫射的照明以及它們的所有階段之間的區別非常重要。陰影品質影響主體和場景的外觀極大。請記住，雖然有些數位後製程式確實可以提供您可以添加的一系列照明效果（但這些效果不一定與您想添加的一樣），但您不能通過更改相機設置或稍後的操作來改變照片中的內容。 

光線照射物體表面

當光線照射到物體表面（可能是建築物、風景或人臉）時，接下來發生的情況取決於材料的質地、色調和顏色以及光線本身的角度和顏色含量。 

不透明材料

如果材料對光完全不透明，例如，金屬或磚塊，則某些光會被反射和吸收（轉化為熱量）。材料越黑，反射光的比例越小。這就是為什麼在陽光下被遺忘的黑色相機保護套要比閃亮的銀色相機保護套更熱的原因。

如果材料被著色，則它會反射該顏色的波長並吸收存在的其他大多數波長的光。例如，藍色塗料反射藍色，並從白光中吸收紅色和綠色的光。但是，如果您的光線已經缺乏某些波長，則會改變被攝對象的外觀。在極端情況下，當藍色塗料被深紅色光照亮時，看起來會是深藍色且拍攝幾乎黑色的照片。您需要了解此類效果才能使用濾色鏡來進行顏色更改；如果您要掃描底片並進行數位印刷，則可以使用各種後製軟體來完成工作。

表面光潔度也極大地影響光的反射方式。諸如蛋殼、繪圖紙或表皮乾燥之類的無光澤表面會均勻地散射光線。光線從哪個角度入射幾乎沒有差異。但是，如果表面光滑且有光澤（例如玻璃或光澤漆），其作用類似於鏡子，將大部分光反射回一個方向，這稱為鏡面反射。

如果您的光線以直角入射到發亮的表面，則會沿其原始路徑向後反射。例如，當朝玻璃窗或塗有油漆的牆壁平放相機閃光燈時，會產生眩光。但是，如果光線成一定角度，它會以與到達的角度相同的角度從此類表面反射。因此，如果至關重要的是避免眩光斑，請在拍攝高反射表面時嘗試安排照明方向或相機視點以避免反射眩光。 如果您使用內置閃光燈，請調整相機視角。

透明或半透明的材料

當然，並非每種材料都不透光。例如透明玻璃、塑膠和水是透明的，並且可以直接透射光，而描圖紙、雲層和毛玻璃則可以散射它們透射的光被稱為半透明的。在兩種情況下，如果材料是有色的，與其他種類的材料相比，它將允許更多的這些波長的光通過。深紅色的彩色玻璃可透射紅色波長，但對於藍光可能幾乎不透明。

            由於半透明的材料會散射照明，因此即使在光源不直接排在後面的情況下，它們也可以在暴露於光線時看起來像乳白色，並且比透明的材料看起來均勻得多。幻燈片查看器和燈箱均遵循此原理。光的品質類似於從白色漫射表面反射的光的品質。

光的折射

當光從空氣斜向入射一種透明材料時，會發生有趣的事情。如前所述，光線穿過較密的介質時，其傳播速度略慢。例如，當光以一定角度從空氣進入玻璃時，光的波前（請記住水上的漣漪）變得不均勻地減速。這是因為一部分先到達較稠密的材料的光先偏向，就像將汽車以一定角度駛入沙子一樣。一條新的直線路徑形成，稍微向玻璃傾斜。當光從一種透明介質傾斜傳播到另一種透明介質時，光路的變化稱為折射(Refraction)。 

將一隻筆插入清水時，您會看到折射起了作用。它看起來在水面上彎曲。厚實的窗戶玻璃會引起類似的變形。這是很重要的，因為通過使用折射，透鏡會彎曲光線，從而成像。請記住，折射只會使斜向入射的光線彎曲。以垂直照射兩種透明材料的邊界的光會稍微減慢速度，但不會改變方向。並且大多數以非常低的角度（非常傾斜）到達邊界的光會從表面全反射回去。

整個影像

我們的周圍所有事物都會對光的漫反射和鏡面反射，一些吸收，也經常是透射和折射的混合影響。例如，被陽光直射的蘋果從被照亮的一半強烈反射出彩色波長。其中大部分是漫反射的，但是其光滑果皮的一部分鏡面反射了明亮的高光，恰好是太陽與光滑表面的夾角與從此點到眼睛的角度。蘋果一側陰影的形狀和相對黑暗為您提供了有關形狀的更多線索。根據經驗，您的眼睛和大腦會識別所有這些微妙的淺色「信號」以表示堅固性和圓度，而無需實際觸摸蘋果就可以找到答案。這本質上就是「看見」。

攝影使我們能夠使影像永久且可移植，以便其他人可以體驗。底片或感測器無法準確地轉換我們用眼睛看到的光的方式，不同類型的底片以不同的方式記錄光和色彩。當您熟悉所使用的底片類型時，您將開始了解它對光影的反應。使用高規格數位相機，您可以更改色彩強度和控件類型。但是，相機仍然無法像您所看到的那樣精確地進行記錄，這是攝影魔術的一部分：它將我們看到的3D世界轉化為2D的影像。

光強度與距離

小型光源越靠近被攝對象，它將被照亮得越亮。將光線到物體的距離減半可使照明亮度提高四倍。這是因為光被集中到四分之一大小的區域中。例如，如果您使用小型閃光燈或攝影棚燈照亮人像，則將光源與人像的距離減半，人像給你的光線是原來的四倍。類似地，將光移開兩倍的距離會導致照明下降到原來亮度的四分之一。在特寫情況下，當您更改放大鏡的高度，類似的效果也適用於列印曝光。

實際上，這種「平方反比定律」（兩倍的光源距離=照明的四分之一）意味著在小型工作室中以不同距離照亮許多物體時，尤其是使用苛刻的緊湊型光源時，必須格外小心。一種曝光設置可能很難在離光源最近和最遠的地方都獲得良好的照明。一種解決方案是將光源移到更遠的地方，以使最接近的距離與最遠的距離之比變小，或更改為多個光源或漫射器，這將給您帶來更少的照明效果。  

在戶外直射陽光下不會出現相同的問題。太陽是如此之遙，以至於地球上的任何兩個地方（無論是海邊還是山峰）都與太陽的距離幾乎相等。風景攝影的亮度變化可能是由當地的大氣條件造成的，而不是由太陽的距離造成的。但是，如果您在室內拍照，則使用從小窗戶進入的陽光，窗戶本身就可以充當緊湊型光源。然後，強度會隨著距離的變化而變化，就好像您在相同位置使用相同大小的燈一樣。

成像

假設您設置並照亮了一個拍攝對象，並且僅將一張描圖紙（或屏幕）朝向拍攝對象。您當然不會在屏幕上看到任何影像。麻煩的是，被攝對象的每個部分都朝著紙表面的每個部分反射一些光。這種雜亂的光一般只是照亮了它。

一種限制混亂光線的方法是放置不透明鑽了一個小孔的紙張材料（例如一張卡片）在主題和屏幕之間。由於光線沿直線傳播，因此來自被攝體頂部的光線能夠穿過小孔只能到達屏幕的底部。從對拍攝對象下部發出的光僅到達屏幕的頂部。結果，您的屏幕在小孔的另一側顯示出暗淡、模糊的倒置拍攝對象的影像。

觀看「針孔」成像的最佳方法是在一個完全黑暗的房間裡，窗戶上的鋁箔或黑紙面向外面被陽光照射的場景。在鋁箔紙上鑽個小孔，並在鋁箔紙後面約300毫米處撐起描圖紙當屏幕以接收影像。實際上您是在相機內。來回移動屏幕以查看如何捕獲影像。如果您的相機配有可拆卸鏡頭，則可以使用針孔輕鬆拍攝彩色照片。因此，實際成像的工作不是特別複雜或技術性的。

針孔成像的限制

針孔形成的影像缺乏清晰度，並且往往具有柔軟、朦朧的感覺。無論將屏幕放在何處，任何影像細節都不會非常清晰。這是因為通過針孔從拍攝對象的任何部位反射的狹窄光「束」會形成發散（逐漸變寬）的光束。拍攝對像中任何一個亮點或細節點所能獲得的最清晰的表示是碟狀斑塊。細節變成了許多重疊的斑塊，使影像具有模糊的外觀；針孔攝影師使用這種品質來創建自己獨特的影像風格。

您還會注意到，針孔形成的影像非常暗。您可以通過擴大孔來使其變亮，但是這會使影像細節更加不清晰。即使您接受較暗的影像，並嘗試通過使用更小的孔來銳化細節，這些碟狀斑塊顯然也不會比針孔本身小。您很快就可以知道由於光學效應（稱為繞射），實際上會使成像結果變差。比起通過乾淨的針孔的中心的光線，通過越小越粗糙的針孔的光線移動就越大所佔通過光束的的百分比就越小，

改用鏡頭

形成更明亮，更清晰的影像的最佳方法是使針孔變大（允許更多的光通過），然後彎曲變寬的光束，使其變窄（會聚）而不是繼續擴大。這可以通過使用一塊透明玻璃的折射來完成。右圖顯示光線如何從空氣斜向入射到玻璃，並在入射點彎曲成稍微垂直於表面。當光從玻璃傳播到空氣中時，情況恰恰相反，因為空氣密度較小。因此，如果您使用一塊側面不平行的玻璃塊（稜鏡），則光線通過的總效果就是方向的整體變化。

在實踐中，一塊成形的玻璃，其中心比其邊緣厚，可以接受相當寬的發散光束並將其轉換為會聚光束。通過研磨和拋光玻璃圓盤，使它成為這種形狀，就可以有效地製造出無限量的稜鏡，所有的光線都朝著一個共同點彎曲。這是一個簡單的會聚透鏡。如果您有這樣的鏡片（最適合使用放大鏡），就可以嘗試一下。

當您使用鏡頭而不是僅使用一個針孔來製作影像時，屏幕上形成的上下顛倒的影像看起來要明亮得多，但是只有當屏幕與鏡頭相距「最佳」距離時，細節才能清晰地分辨出來。如果將屏幕放置得太近或太遠，光線都會迅速變寬，並且細節點會變成甚至比針孔所提供的光斑還大。結果是非常不清楚的「失焦」效果。因此鏡頭必須精確對焦；正確的影像位置取決於鏡頭的彎曲能力以及鏡頭與被攝物體之間的距離（見下圖）。嘗試過放大鏡後，如果可拆卸，請將其與相機鏡頭進行比較。