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要想拍摄好科学现象和数据，首先要理解我们手中的相机，工欲善其事，必先利其器。最简单的照相机我们大家在初中物理课上都做过，那就是用一块凸透镜给一支蜡烛成像，其实无论多复杂的照相机，其拍摄原理也是这样的。物体表面每一点发出或反射的光通过相机透镜组汇聚，在底片或CCD上形成一个点，这就是成像的过程。我们的照相机只不过是提供了很多辅助的功能，来满足不同的成像要求。这些功能总结起来最重要的是：光圈、快门、ISO。下面我们来看它们各自是如何影响照片效果的。
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光圈（Aperture），是在镜头里的一个多边形小孔，它可大可小，从而控制进入到CCD的光线强弱。图15.2展示了这样一个镜头中的光圈结构（图中镜头经过了特殊处理，一般我们无法从镜头外面看清楚它的样子）。
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图15.2 （A）大光圈；（B）小光圈。图片取自英文维基百科Aperture词条
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如果你认为光圈只是用来控制进光量，那可是低估了它的功用，它的另一个重要作用是控制景深（Depth Of Field）。如图15.3所示，当我们使用大光圈拍摄图15.3（A）时，远处的螺丝刀变得模糊不清，而当我们使用小光圈拍摄图15.3（B）时，远处的螺丝刀也变得清晰起来。画面上能清晰成像的区域对应于实际中的距离被称作这张画面的景深。图15.3（A）的景深很浅，只有几厘米，所以20cm外的螺丝刀不能清晰成像；图15.3（B）的景深超过20cm，所以两个螺丝刀都可以清晰成像。
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图15.3 景深在不同光圈值下的体现。图（A）光圈值f/2.8，图（B）光圈f/8
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光圈是怎么控制景深的呢？我们来看图15.4就明白了，图15.4上图展示了用大光圈给前后两个点A和B成像的过程。A点能恰好成像在CCD（或底片）上，形成清晰的一个点，而B点则成像在CCD之后，所以它在CCD上留下一小片光斑，图中用红色线段表示。最终我们看到的照片就是A点清晰的像，以及B点模糊的像。如果缩小光圈，如图15.4下图所示，A点和B点成像的位置没有变化，但是此时B点在CCD上留下的光斑就小很多了（图中红色线段），所以，最终照片上B点也变得比较清晰，这样小光圈拍摄的照片景深就比较大。你可能注意到了，图15.3中的光圈值是用f/2.8和f/8表示的，这是什么意思呢？f/2.8的意思是光圈直径与焦距之比为1/2.8，如果镜头焦距为5cm，光圈直径为5/2.8=1.79cm，所以f后面跟的数字越大，光圈越小。有朋友说了，这不是多此一举嘛，干嘛不直接用直径来衡量它的大小，而要用这样一个比值？这一点我们将在“探索与发现”小节中揭秘。
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图15.4 光圈与景深的关系
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我们接着来看快门。在“远古时代”，人们还使用胶卷的时候，快门是一个真正的“门”，就在胶卷的前面，像百叶窗一样可开可关，它控制了底片曝光的时间。如今数码相机的快门一般是CCD电子线路的关断和打开，所以可以达到很高的速度。快门越快照片就越能定格住快速变化的事物，如图15.1所示，快门为1/2500s，而图15.5快门时间则为0.5s。用慢快门我们能记录下物体运动的轨迹，或者从艺术角度来看，它能使静止的照片呈现出一种动态感。
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图15.5 较长时间曝光带来的运动效果
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然后来看ISO。相机的设置中除了光圈和快门以外，还有一个奇怪的选项叫作ISO，如图15.6所示。我们常能见到某某商品声称自己通过了ISOxxxx认证，这个ISO和照相机的ISO其实都是同一个意思，是国际标准化组织（International Organization for Standardization）的缩写。虽说ISO对商品质量的控制形同虚设（你买了ISO认证过的牛奶，结果发现它兑了化学药剂，如果要申诉的话，你就得坐几宿的长途汽车，因为人家总部在瑞士），但是，相机中的ISO却是一个实诚的数字，它衡量着CCD的敏感程度，实际上就是CCD对入射光强度的放大程度。这样，相同的光圈大小，相同的快门时间，ISO越大则照片越亮。但是，增大ISO值在提高了CCD对外来光敏感程度的同时，也放大了电路里的噪声。像一般大众型的照相机，ISO到400或以上就会在照片里看到很多令人不愉快的麻点，这就是CCD的电路噪声被放大以后记录下来的结果。
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图15.6 相机中的ISO
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至此，我们讨论的3个参数：光圈、快门和ISO，它们构成了摄影中的“铁三角”。摄影师可以根据拍摄对象的需要来调整这3个参数，最终的目的是要达到理想的曝光强度（即画面明亮的程度）。“远古时候”的摄影家通常在拍摄之前要经过复杂的计算和试拍才能决定这3个参数值，而如今我们通常只需要选择我们关注的某一个值，由照相机来选择另外两个值，使得照片具有恰到好处的曝光程度。比如你想将瀑布拍摄得如梦如幻、山水氤氲，则只需选择较慢的快门；你想突出一朵小花，而让背景虚化，则只需选择较大的光圈；你想在较暗的环境下减少由于手抖动导致的模糊，则只需增大ISO值。本书中所有照片都是按照这样的准则来进行拍摄的。如果只用自动挡的话，很多照片就会更加惨不忍睹了。
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动手实践
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理解了摄影3个要素的基本原理，余下的就是拿起手中的相机，勇敢地使用非自动挡，拍自己喜欢的照片。如今，一般的相机都会有很多拍摄模式，如图15.7所示的佳能Powershot A630，以淡蓝色的Auto标志为界，它右边（包括它自己）的这些选项，比如人物模式、风景模式等属于自动挡，使用这些挡拍照时我们无法改变光圈或快门值（但是可以改变ISO值）。Auto左边的这些选项则为非自动挡，它们给予我们手动设置光圈快门的自由。其中，Tv（Time value的缩写）为快门优先，表示我们可以控制快门的长短，而相机自动匹配合适的光圈值使画面曝光充分；Av（Aperture value的缩写）为光圈优先，表示我们可以控制光圈的大小，而相机自动匹配合适的快门值使画面曝光充分；M则是完全手动模式，光圈和快门都由自己控制。本书中大部分照片都是在光圈优先的模式下拍摄的，这样对画面的景深有较好的掌控。本章的图15.1和图15.5则是采用快门优先的模式。另外有一小部分照片是采用完全手动模式，比如第1章图1.5的两张照片，通过手动设置，它们的光圈和快门值都一样。如果采用光圈优先的话，则拍摄图1.5第二张照片时，相机会自动延长快门时间，使得它的总体明亮程度与第一张相等。这样本来透过偏振片看到的黑暗的天空就会变亮起来，影响我们对天空偏振度的判断。又比如介绍全息技术的第11章图11.14，也是在手动模式下拍摄的。因为如果采用光圈优先，则相机会自动选择一个非常长的快门时间，使得画面的总体亮度与其他照片一样，那么我们的红色全息小车就会因过度曝光而变得白茫茫一片，看不清细节。所以当我们只需要画面的某一部分能在照片上清晰显现时，就要采用手动模式设置光圈和快门值。
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图15.7 相机的模式选择旋钮，图中选择了Av（光圈优先）模式
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经过我几年时间对数码相机的理论学习和实际操作，有几条拙见可以供文艺范儿的业余科学家们参考。第一是究竟用多大的光圈才能使得画面的近景远景都清楚呈现。根据前面的理论，当然是光圈越小景深越大，但是太小的光圈使得进光量很少，需要长时间曝光，导致照片容易因为手的抖动而产生模糊。为了解决这个问题，有一个最佳的光圈值：f/8。据某位摄影家的书上说，f/8的光圈用来拍摄景物，足以让远处的白云和近处的绿草都清晰成像。第二是究竟用多大的快门值画面才不会因为手的抖动而模糊。现在的数码相机一般都有抖动提醒功能，但是有一个公式大家可以参考，那就是快门时间不要长于1/焦距长度。比如焦距是20mm，如果快门时间比1/20s还长，那么画面就会因为手的抖动而出现可以察觉的模糊。第三是怎样拍摄风景。想必很多朋友出门旅游时，看到山水胜境都忍不住要拍摄下来，但是往往最后的照片看起来淡而无味。而职业摄影师们拍的风景却都是美如仙境。其实，这其中有一个关键的窍门，那就是画面要有远、中、近的层次。比如图15.8，拍摄的是红岩之国Sedona，在取景的时候，我把近处和远处的景物都包含在了一张照片中，用光圈f8使得它们都能清晰成像。这种拍摄手法在我读过的一本英文摄影书上叫作“Story Telling”。这样，画面就会显得充实，并且在一个二维平面里体现出空间和伟岸。下次你再看风景照片时稍加留意，就会发现薛子所言不虚了。
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