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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074939]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 15 像”砖家”一样使用照相机
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一分钟简介
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本章从业余科学家的角度出发，介绍摄影的基本要素，以解除长期以来只会使用自动模式拍照的广大文艺和科学青年的困惑。
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闲话基本原理
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曾读过一本关于摄影的书，有一句话让我印象很深刻，作者说绘画是做加法，摄影是做减法。画家总是从一张白纸开始，慢慢添加色彩、形状；而摄影师则是要通过选择角度、光圈、快门、后期处理等，来从原本纷繁的世界中挑选出一部分记录下来。
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相机使用得当，将是业余科学家的利器，可以用它来捕捉一些肉眼无法观察到的现象。图15.1展示了我用一台普通的佳能数码相机（早已停产的Powershot A630）记录的水滴落入水面的一瞬间，图片用Powerpoint做了一些简单的处理后，看起来具有水墨的意境。相机也能记录一些重要的科学数据，比如本书前一章我们就曾用它来拍摄光谱。著名的哈勃望远镜其实就是一个漂浮在太空中的巨大照相机，时刻记录着来自遥远星系的微弱影像。
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图15.1 水滴落入水面的瞬间
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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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