图 100老机器馆
胶片与即影即有相机:原理与操作
快门为 1/1000 秒时,相机从不会同时敞开整个画面,而是让一条狭缝扫过胶片。
这台设备无法显示 3D 模型。下面的讲解步骤可以直接阅读文字。
1 / 15 1/1000 秒的快门这是一台后盖打开的单反,动作比实际慢 300 倍。按「释放快门」,观察胶片:影像不是同时出现,而是一条亮带向下滑过。
拖动可旋转,滚轮或双指缩放。
按下快门按钮后会发生什么
按下胶片相机的快门按钮,你会听见一声咔嚓。就在里面,一连串动作以固定顺序完成,用时比这一声还短。在单镜头反光相机中,镜头先收缩到你选定的光圈,反光镜向上翻起,让开光路;第一道帘幕扫过胶片,使其受光,第二道帘幕随后扫过,再把胶片遮住;然后反光镜落回,镜头重新全开。快门时间为 1/1000 秒时,整个画面从来不会同时敞开。一条只有几毫米宽的狭缝扫过胶片,经过之处逐带记录下影像。
舞台就从这里开始:一台后盖打开的单反相机,动作比实际慢 300 倍。按下「释放快门」,观察胶片。然后切换到摄影史上的另外六种机器:1839 年式达盖尔银版箱式相机、带皮腔的大画幅相机、1925 年式 35 mm 旁轴测距相机、1929 年式双镜头反光相机、1972 年式折叠即影即有相机,以及 1986 年式一次性相机。第八站是暗房。
七台相机都拍摄同一个公园场景:一个站在 3 m 处不动的人体模型、一个在 4 m 处横穿视野的球、两个在 8 m 处走过的人、14 m 处的房子、45 m 处的树,以及 1.5 m 处的一盆花。舞台角落的照片和控制区下方较大的照片,都根据你的设置,用本页公式算出。改变光圈,树就变得模糊或清晰。改变快门时间,球就被凝固或拖成一条。改变胶片感光度,照片就更亮,颗粒也更粗。
一个有孔的暗箱
舞台上的每台相机都遵循同一个思路:一个箱子挡住所有光线,只让光从镜头进入。镜头把场景中每一点的光折射到胶片上的一点,形成上下颠倒、左右相反的影像。站到舞台上的大画幅相机后面,看看毛玻璃:房子、树和人体模型都在那里,只是倒过来了。
1839 年的达盖尔银版相机,基本上就是这样一个箱子。Victoria and Albert Museum 收藏着一台由 Louis Daguerre 设计、Alphonse Giroux 制造的 Giroux 银版相机,馆藏说明称其为首款公开发售的相机。这是一种滑动箱式结构:一个木箱在另一个木箱内移动,让影像在后面的毛玻璃上合焦,前面板上则装着黄铜镜头。它没有快门。摄影师取下镜头盖,等曝光时间到了,再把盖子盖回去。
后来的改进,都是为了控制三件事:多少光到达胶片、持续多久,以及胶片对光有多敏感。本页其余部分讲的就是这三个数,以及围绕它们造出的机器。
三个数决定曝光
落到胶片每一点上的光量就是曝光量。Marc Levoy 在 Stanford 的成像讲义中将它写成 H = E × T:曝光量等于胶片上光的亮度(由光圈决定),乘以光照持续时间(由快门决定)。胶片感光度决定了拍出合适照片所需的曝光量。
摄影师把前两个量合成一个数,即曝光值:
EV = log₂(N² / t)
其中 N 是光圈值,t 是以秒为单位的快门时间。EV 每变化 1 就是一挡,光量相差一倍。f/16 配 1/125 秒得到 log₂(256 × 125) = log₂(32,000) = 14.97,取整约为 EV 15。f/8 配 1/500 也得到 log₂(64 × 500) = 14.97。EV 相同的任意一组设置,放入的光量都相同。
场景也有自己的 EV:即用 ISO 100 胶片正确曝光所需的设置。明亮阳光约为 EV 15,阴天约为 EV 12,明亮房间约为 EV 9,夜间街道约为 EV 5。这些是模型采用的光照等级,取自常用曝光表,由「光照」控件选择。感光度越高的胶片,需要的光越少;感光度每翻倍,所需光量减少一挡:
所需 EV = 场景 EV + log₂(ISO / 100).
所以在明亮阳光下,ISO 400 胶片需要 EV 17:f/16 配 1/500 得到 16.97。舞台上的曝光读数,是场景所需 EV 与你设定的 EV 之差。正数表示光太多,负数表示太少。下方测光条以零为中心,从欠曝三挡到过曝三挡。
名叫「阳光 16 法则」的老经验说,明亮阳光下用 f/16,快门时间取感光度的倒数。对于 ISO 100,就是 f/16 配 1/125,EV 为 14.97,与明亮阳光的 EV 15 相符。有一项任务就是让你找出这个设置。
光圈:为什么数越大,孔越小
光圈值等于焦距除以开孔直径。Stanford 讲义举的例子是:100 mm 镜头设为 f/2,开孔直径为 50 mm。在单反的 50 mm 镜头上,f/2 意味着孔宽 25 mm,f/1.4 则为 35.7 mm。
到达胶片的光量与开孔面积成正比,也就与直径的平方成正比;同时,它随到胶片距离的平方而减小。两者相除,留下 1 / N²。因此 N 翻倍会让光量减为四分之一;要减半,就要把 N 乘以 2 的平方根,约 1.4。这就是镜头的光圈值依次为 1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22 的原因:每一级都只让前一级一半的光通过。
光圈叶片位于镜头内。在舞台上从前方看单反,把「光圈」设为 f/16,再按「释放快门」:叶片收成一个很小的六边形孔,随后重新打开。使用真实单反时,从取景器里看不到这一幕。镜头保持全开,使取景器明亮,只有拍摄的一刻,叶片才收缩到工作光圈。
用数字描述景深
镜头只会在一个距离上精确合焦。这个距离前后的一点,会在胶片上扩散成小圆斑。Stanford 的景深小程序把仍看起来像一个点的最大圆斑称为弥散圆。只要一点形成的圆斑小于这个尺寸,它仍显得清晰;满足这一条件的距离范围就是景深。模型对 35 mm 胶片采用 0.03 mm 弥散圆,更大的胶片用更大的值:6 x 6 cm 用 0.05 mm,4 x 5 英寸散页片用 0.1 mm,达盖尔银版用 0.15 mm。
焦距为 f 的镜头对焦于距离 s 时,距离 d 处的一点形成的圆斑直径为
c = f² × |d − s| / (N × d × (s − f))
清晰范围的近界和远界则由超焦距得出
H = f² / (N × c) + f.
单反的 50 mm 镜头设为 f/2.8,对焦于 3 m 处的人体模型,得到 H = 29.8 m,清晰范围为 2.73 m 到 3.33 m,纵深只有 0.6 m。收小到 f/8,范围变为 2.34 m 到 4.19 m。f/16 时则为 1.92 m 到 6.92 m。讲义说,光圈值翻倍,景深也翻倍;在这里,主体距离远小于超焦距,这条规律很适用。
直接对焦于超焦距,从该距离的一半到无穷远都清晰。50 mm 镜头在 f/8 时,H 为 10.5 m,因此对焦于 10.5 m,可让 5.2 m 到地平线之间的一切清晰。「全部清晰」任务需要用更广角的镜头运用这个技巧:28 mm 镜头在 f/16 时,H = 1.66 m,对焦于此,1.5 m 处的花、人体模型和树就都能清晰。
虚化背景则反过来。135 mm 镜头以 f/2.8 对焦于 3 m,会把远处一点变成直径 2.27 mm 的圆斑,达到画面对角线的 5.25 %。同一点通过光圈值相同的 50 mm 镜头,圆斑只有 0.303 mm。控制区下方的条带用圆点表示场景中各物体:圆斑小于弥散圆时为绿色,大于时为红色。
快门时间与运动
快门决定胶片看见场景的时长,这段时间内任何移动的物体都会留下拖影。Stanford 讲义的说法很直接:曝光时间翻倍,运动模糊也翻倍。
物体在距离 d 处以速度 v 横穿视野时,胶片上的拖影为
blur = v × t × f / (d − f).
舞台上的球从 4 m 处经过。速度为 10 m/s、快门为 1/1000 秒时,通过 50 mm 镜头,其影像在胶片上移动 0.127 mm。球本身移动 10 mm,不到它 22 cm 宽度的 1/20,看起来像被凝固了。1/60 秒时,影像移动 2.11 mm,变成一条拖影。「凝固运动的球」任务要求快门打开期间,球移动的距离小于自身宽度的十分之一。
相机也会移动。讲义说,人们手持相机大致能用到 1/60 秒,并给出经验规则:安全的最慢快门时间是焦距的倒数,180 mm 镜头就是 1/180 秒。模型把它变成数字:手持相机每秒摆动 0.03 弧度,用 50 mm 镜头、1/50 秒时,影像拖移 0.03 mm,等于一个弥散圆。1/15 秒时,拖移为 0.1 mm,读数会警告抖动。「三脚架」控件能消除这种抖动。
两种快门
开合光路有两种方式。镜间快门位于镜头内部:一圈薄而相互重叠的叶片从中央向外打开,再合拢。焦平面快门则紧贴胶片前方:两道帘幕先后扫过画面。
Stanford 讲义列出了它们的取舍。焦平面快门声音大、速度快(后来的相机可达 1/4000 秒),但会使运动变形。镜间快门安静,速度较慢,约可达 1/500 秒;由于它在镜头内,每支镜头都需要自己的一套。
舞台上,大画幅相机和双反采用镜间快门;一次性相机则由单片弹簧叶片掠过开孔。旁轴相机和单反采用焦平面快门。达盖尔银版相机两者都没有,只有镜头盖。Science Museum Group 还收藏着约 1885 年的早期翻板快门,由木、金属和毛毡制成,尺寸为 83 x 80 x 27 mm,是从镜头盖到后世快门之间的一步。你可以在大画幅相机三脚架旁的地上找到它。
一条狭缝怎样实现 1/1000 秒
焦平面快门无法在千分之一秒内把整个画面打开、保持,再关闭,因为那要求帘幕快到不可能实现。实际做法是两道帘幕以相同的稳定速度运行,第二道在第一道启动后延迟设定时间再出发。两者之间有一条移动的狭缝,每条胶片区域只有在狭缝经过时才受光。狭缝宽度决定曝光时间:
狭缝宽度 = 片门长度 × t / 扫过时间。
模型中,单反的金属帘幕以 7 毫秒扫过 24 mm 的片门。快门为 1/1000 秒时,狭缝宽度为 24 × 1 / 7 = 3.43 mm;1/500 时为 6.86 mm,1/250 时为 13.71 mm。1/125 即 8 毫秒时,第二道帘幕尚未启动,第一道就已到达底部,因此整个画面会短暂敞开。模型中旁轴相机的布帘以 20 毫秒横向扫过 36 mm 片门,所以 1/500 时狭缝为 3.6 mm,1/100 时为 18 mm。
导览的第一步展示的就是这个过程。打开的相机后背中,胶片随狭缝经过而逐带绘上影像,进光处带着一条亮线。绘出的照片要旋转 180 度才是正向,因为镜头投射的是上下颠倒、左右相反的影像。真实胶片上的潜影在显影前根本看不见;模型展示的是光落在何处。
由于画面的顶部与底部在不同时刻曝光,快速运动的主体在每条带中所处位置略有不同。Los Angeles County Museum of Art 收藏了 Jacques Henri Lartigue 的照片《At the A.C.F. Grand Prix 1912》,Stanford 讲义用它说明焦平面快门的这种效应。在舞台上以 20 m/s 踢球,用单反在 1/1000 下拍摄。球的影像以每秒 253 mm 横穿胶片,因此狭缝用 7 毫秒扫过画面期间,它偏移 1.77 mm,达到画面高度的 7.4 %,于是球发生倾斜。
闪光与狭缝
闪光持续时间极短,因此能凝固它照亮的物体。配合焦平面快门时,闪光必须发生在整个画面敞开的一刻:第一道帘幕已走完,而第二道尚未启动。这只有在快门时间不短于扫过时间时才可能。模型单反的闪光同步速度为 1/125 秒,比它 7 毫秒的扫过时间更长。
选择更快的快门时间,闪光在第一道帘幕走完时触发,就只能照亮那一刻狭缝下的胶片条带。1/250 即 4 毫秒时,这一条带占画面的 4 / 7 = 57 %,其余部分只得到室内环境光。「半幅闪光照片」任务让你故意犯这个错误。镜间快门会同时开放整个画面,因此任意速度都能配合闪光。
闪光增加多少光,取决于距离。闪光指数是 ISO 100 下正确照亮物体所用光圈值与距离的乘积。模型单反的闪光指数为 20,因此 3 m 处的主体在 f/6.67 下正确曝光;使用 ISO 400 胶片时,闪光指数翻倍,应为 f/13.3。距离翻倍的物体只得到四分之一的光,这就是闪光照片里的树仍然很暗的原因。
胶片感光度与颗粒
胶片感光度表示胶片最低需要多少曝光。ISO 数值每翻倍,就节省一挡:ISO 400 所需光量是 ISO 100 的四分之一,ISO 3200 则只需 1/32。Stanford 讲义指出了代价:胶片用颗粒换取感光度。舞台照片所加颗粒的粗细随感光度平方根增长,因此 ISO 3200 拍出的夜间街道足够亮,也明显粗糙。
早在 ISO 标度出现前,人们就在测量胶片感光度。Science Museum Group 收藏着 Hurter 和 Driffield 于 1888 年制造的曝光计算尺,专利号 5545。这是一把木制计算尺,带有光圈值、时间、光照,以及两人定义的 H 和 D 感光度刻度。它在木头上完成的,就是控制区下方曝光表在本页上做的事。
胶片对光的响应本身并非直线。超过某点,更多光也不会带来太大变化;低于某点,光太少就什么也留不下。模型通过一条带趾部和肩部的曲线生成每张照片,并给各工艺不同的范围:彩色负片过曝四挡仍保留细节,黑白负片三挡,即影即有照片和达盖尔银版更少。这些宽容度是为展示工艺差异而选定的模型值。
单反:一面反光镜与一块棱镜
单镜头反光相机让你通过拍照的同一支镜头取景。镜头后方一面呈 45 度的反光镜把光送到上方的对焦屏,屏上方的五面玻璃棱镜再把影像转正,供眼睛观看。按下快门按钮时,反光镜向上翻开,帘幕完成动作,反光镜再落回。
这些部件在不同时期出现,Science Museum Group 为每一步都收藏着对应相机。1936 年在德累斯顿制造的 Kine Exakta,是一台在 35 mm 胶片上拍摄 24 x 36 mm 画面的单反。1949 年在莱比锡春季博览会上推出的 Contax S,带有固定的眼平五棱镜,是最早一批五棱镜单反之一;其布帘焦平面快门横向运行,速度从 1/2 到 1/1000 秒。1954 年的 Asahiflex IIB 具有即时复位反光镜,拍完后视野立刻恢复。
舞台上的单反属于较晚的类型,金属快门从上往下运行。打开「查看内部」,从侧面观察按下快门后的过程。模型中,镜头在最初 6 毫秒内收缩光圈,反光镜到第 14 毫秒已抬起,第一道帘幕在第 16 毫秒启动,第二道帘幕走完后,反光镜和光圈复位。1/250 时,整个过程约需 50 毫秒,这是模型的时序,不是某台相机的实测数据。有一项任务要求你把六个动作排成正确顺序。
模型上的两个小部件来自这台 1949 年相机的记录。倒片旋钮上有胶片提示盘,显示装入的胶片类型和感光度;机身前面有自拍延时拨杆。
旁轴测距相机:两扇窗,没有反光镜
旁轴测距相机没有反光镜。你从独立窗口观看,相隔几厘米的另一窗口从略有不同的角度看同一主体。取景器把两幅视图叠在一起,转动对焦环会移动其中一幅,直到两幅影像重合。重合时的距离,由两条视线的夹角算出,就像测量员测距一样。
这台机器以 Science Museum Group 收藏的首款量产 Leica 为范本,原机约于 1925 年在韦茨拉尔制造。它装有不可更换的固定 50 mm f/3.5 镜头,焦平面快门有七挡速度,从 1/20 到 1/500 秒,另外还有一个标着 Z 的刻度。另一台 Leica I 的记录给出的尺寸为 65 x 130 x 55 mm,小到能放进外套口袋。打开人体模型作比较。
旁轴相机的布帘卷在滚轴上,横向运行,因此舞台上的狭缝从一侧扫向另一侧。没有反光镜需要抬起,快门释放更安静、更迅速,拍摄瞬间视野也不会变黑。
双反:两支镜头,一面反光镜
双镜头反光相机把两支相互匹配的镜头上下排列。下镜头通过自身的镜间快门拍照。上镜头只用于观看:后方固定的反光镜把影像向上投到折叠取景罩下面的毛玻璃上,因此你把相机放在腰间,低头观看。
Science Museum Group 收藏的初代 Rolleiflex,于 1929 年在德国制造,此前研发了三年,在 117 卷片上拍摄 6 x 6 cm 照片。摄影镜头为 75 mm f/4.5 Tessar;取景镜头更亮,为 f/3.1,用于对焦。Compur 快门有 1、1/2、1/5、1/10、1/25、1/50、1/100 和 1/300 秒,以及 B 和 T 挡。毛玻璃上有气泡水平仪,取景罩内有放大镜和供眼平使用的镜子。模型的转盘按这份记录制作,水平仪与放大镜则是待寻找的隐藏物件。
由于屏幕影像只经过一面反光镜,它左右相反。在舞台上低头看屏幕:房子到了相反的一边。跟踪运动主体需要练习,因为相机向左转,影像会向右移。
大画幅相机:黑布下的倒像
大画幅相机由镜板上的镜头、框架上的毛玻璃和两者之间可折叠的皮腔组成,全都装在轨道上。对焦时沿轨道滑动前组或后组,同时观察毛玻璃,通常用黑布遮光。那里的影像上下颠倒、左右相反。合焦后,把装有散页片的片盒插到原来毛玻璃的位置,抽出遮光板,释放镜头里的镜间快门。
模型使用 4 x 5 英寸散页片和 150 mm 镜头,镜间快门范围从 1 秒到 1/500。胶片这么大,弥散圆可以更大,模型取 0.1 mm,这部分弥补了长焦镜头景深浅的问题。在这种尺寸下,三脚架是必需的。
1839:在镜头前等待几分钟
Giroux 相机是为达盖尔银版法出售的。每张照片都是镀银板上的独一张影像,没有可用来印相的底片,而银版的感光度很低。
舞台上两件物品讲述了早期故事。Bayerisches Nationalmuseum 收藏着约 1838 年的一件装裱框,上面有 Daguerre 写给巴伐利亚国王 Ludwig I 的题赠。Science Museum Group 则收藏着 Voigtlander 于 1841 年在维也纳制造的全金属银版相机,使用直径 95 mm 的圆形银版,配约 f/3.8 的 Petzval 镜头。记录说明,在对焦屏上合焦后,摄影师进入暗房,把对焦屏换成银版。同馆另有约 1860 年的 Petzval 人像型镜头,是 f/5.3、焦距 8 英寸、固定光圈的双镜头结构。
模型中的银版相机镜头为 f/15,银版感光度设定为晴天街道约需曝光 5 分钟(模型中为 298.5 秒)。这是模型估算,不是实测感光度:换到 ISO 标度,约为 0.0023。在 5 分钟内,一个宽 45 cm、以 1.4 m/s 行走的人,在街上任意一点只停留约三分之一秒,占曝光时间的 0.107 %,几乎留不下影像。站着不动的人体模型则会留下。按下银版相机的「释放快门」,看行人从照片里逐渐消失。
银版从原来朝向镜头的一面观看,也没有底片能再把影像翻回来。因此模型和银版一样,显示的是左右相反的场景。
纸负片与定影的方法
与此同时,英国的 William Henry Fox Talbot 在纸上实验。Carnegie Museum of Art 记载,他于 1841 年为卡罗式摄影法申请专利;较短的曝光让室内与人像摄影成为可能,一张纸负片能印出多张照片。Victoria and Albert Museum 的 Giroux 相机就曾属于 Talbot,并被他改装用于纸基工艺。馆藏记录还说,他有些粗糙的小箱式相机,被妻子称作捕鼠器。舞台上有一台,放在银版相机旁的凳子上。
银盐形成的影像,如果不去掉未用的银盐,遇光就会继续变暗。Nancy Reinhold 为 American Institute for Conservation 撰写的论文,描述了 Talbot 起初如何用碘化钾和食盐稳定影像,以及他如何从 John Herschel 那里得知硫代硫酸钠。1839 年 2 月 1 日 Talbot 来访时,Herschel 用它为一幅影像的一半定影。University of Houston 的 Digital History 引用 Herschel 于 1839 年 1 月 29 日的笔记,记载「次亚硫酸钠」洗去了银盐:「完全成功。」暗房至今仍把它叫作海波。
卷片与快照
玻璃干板和散页片必须逐张装入。卷片和简单相机改变了谁能拍照。1888 年 9 月 4 日公布的美国专利 388,850,涵盖 George Eastman 相机的外壳、镜头支架与快门,以及胶片架。Science Museum Group 收藏了一台被剖成两半、用来展示内部的 1888 年初代 Kodak 相机:木头、皮革、黄铜、赛璐珞和绳线,装在 100 x 172 x 85 mm 的箱体里。
十二年后,价格再次下降。Science Museum Group 的 No. 1 Brownie 记录说,1900 年的 Brownie 在美国售价 $1,在英国为 5 先令,第一年销量超过 100,000 台。
暗房里
曝光后的胶片上,影像看不见。光改变了某些卤化银颗粒中的少数原子,只有显影,才把这些颗粒变成可见的金属银。Canadian Conservation Institute 关于黑白胶片与相纸处理的说明列出五个步骤:显影、停显、定影、水洗和干燥。
由于胶片对所有颜色都有响应,必须在全黑环境中把它卷到螺旋片芯上,再装进不透光的显影罐。随后显影需数分钟,依胶片不同为 4 到 9 分钟。停显液通常是 2 % 的醋酸水溶液,在 15 到 30 秒内停止显影。定影剂是硫代硫酸钠或硫代硫酸铵,会溶解未显影的卤化银,只有这之后,负片才能安全见光。水洗带走定影剂;说明警告,不要把胶片或照片留在洗涤水中过夜。相纸显影更快,需 60 到 120 秒,而黑白相纸对红光不敏感,所以可在微弱的红色安全灯下印相。
舞台上,暗房时钟比实际快 30 倍。装入片芯,房间就变黑。显影胶片,晾片线上就出现你所拍照片的负片:场景亮的地方,负片较暗。制作照片,你的最后一张照片就会在显影盘中浮现。Science Museum Group 还收藏着约 1908 年的 Premo 片包显影罐,用蜂巢形片架一次显影十二张胶片;它藏在工作台上。
即影即有摄影
Edwin Land 的想法,是让相机在胶片内部完成暗房工作。他的一项专利优先权日期为 1947 年 1 月 15 日,于 1951 年 2 月 27 日获授权,描述了带可破裂处理液容器的胶片产品。另一项专利于 1946 年 8 月 29 日提交、1948 年 2 月 10 日获授权,涵盖使胶片曝光并进行处理的装置。Science Museum Group 的 Polaroid Land Camera Model 95,于 1948 至 1953 年在马萨诸塞州剑桥制造。
彩色花了更长时间。American Chemical Society 的历史地标介绍说,Howard Rogers 提出了染料显影剂分子,即染料与显影剂连接的分子,公司在数年间制造、测试了约 5,000 种化合物。在 1963 年推出的彩色胶片中,正片聚合物层里的酸分子,在碱性显影剂完成工作后与其接触,使染料固定在原位。
整体式照片内部
1972 年的折叠即影即有相机把所有东西装进一张卡片,卡片从相机出来,在你手中显影。American Chemical Society 描述这种胶片单元厚约 2 mm,有 17 层:聚合物片、受像层、试剂层、定时层和反光层,以及三色负片。Land 在 1974 年的 The Photographic Journal 中写道,胶片推出时,溶在几滴水中的氢氧化钾被铺成厚 26/10,000 英寸、约 0.066 mm 的一层;几分钟内,反应在这薄薄的夹层中接连发生。
舞台相机旁的层叠结构,按 Society for Imaging Science and Technology 的即影成像综述及 Land 的 1968 年整体式胶片专利所给顺序,展示其中 15 层。光从透明聚酯窗口进入,穿过此时仍透明的受像层,到达三个感光层:最上是感蓝层,然后是感绿层、感红层;各层下方都有自己的染料显影剂(黄、品红、青)。照片离开相机时,两根滚轴挤破药囊,把试剂铺在受像层与负片之间。记录到光的色层,其染料显影剂在该层显影时被消耗,留在原位;未记录到光的地方,染料向上移到受像层。例如蓝光会留住黄色染料,让品红与青色通过,两者组合就呈蓝色。
这些过程发生时,影像必须保持黑暗,尽管照片已在日光下。试剂含白色颜料和遮光染料,在初始高碱度下阻挡光线。综述解释了为什么需要定时层:pH 降低前,染料需要时间迁移,因此定时层延迟了酸层中和碱的时刻。酸到达后,遮光剂变透明,染料停止迁移。Martin Krieger 在 Optical Engineering 上介绍该系统的论文指出,整体式胶片显影比早期工艺的 60 秒甚至 10 秒更慢,观看影像在几分钟内浮现,成了吸引力的一部分。模型中,254 秒后影像显现到 90 %;延时演示比实际快 20 倍,舞台播放时则快 40 倍。
同一论文指出,SX-70 照片没有颗粒结构,因为影像是白色颜料背景上的染料。模型的即影即有照片也没有颗粒。
围绕胶片折叠的相机
相机必须能折平,在光路中放入反光镜,还要驱动照片穿过滚轴。Land、Blinow 和 Eloranta 于 1973 年 2 月 6 日获授权的专利,描述了一台能折得薄到装入口袋的全自动单反,胶片盒旁有电机,另一侧是滚轴处理站。同一专利说,胶片盒最下部有一块扁平电池,连接相机底座的接点。电池装在胶片里,因此每装一盒新胶片,就有一块新电池。
Science Museum Group 的 SX-70 Land camera 记录列出了自动曝光与明暗调节、通过带裂像测距器的反光镜系统进行镜头内对焦,以及电动出片,机身展开时为 130 x 110 x 178 mm。舞台上,相机根据光照自行选择快门时间;明暗调节轮与裂像都是等待寻找的隐藏物件。
反光镜很重要,因为照片从曝光的同一面观看。从曝光面看,影像本会左右相反,因此相机中先进行一次反射,把它翻转回来。综述说,Kodak 的 PR-10 整体式胶片从一面曝光、从另一面观看,这就是它的层叠顺序不同的原因。
只用一次的相机
一次性相机把卖相机的思路反过来:你买胶片,相机随胶片附送。Fuji 的专利优先权为 1986 年 8 月 20 日,1989 年 11 月 28 日获授权,描述了配有摄影镜头、简单快门和卷片器的胶片外壳,里面已装好胶片,在任何卖胶片的地方出售。Science Museum Group 也收藏一次性相机,其中一台 2002 年 Fuji 相机可拍 27 张,尺寸为 110 x 123 x 35 mm。
这种相机没有可调项,因此设置必须适合多数照片。模型使用 32 mm f/10 镜头,固定 1/100 秒快门和 ISO 400 胶片;这些是为模型选定的典型值。镜头固定在 f/10,对焦于 3.4 m 的超焦距,因此约 1.7 m 到地平线都能达到可接受的清晰度。它的曝光值为 log₂(100 × 100) = 13.29;明亮阳光下 ISO 400 胶片需要 EV 17,因此照片会过曝 3.7 挡。彩色负片在这种过曝程度下仍保留细节,而在阴影中,或使用内置闪光灯时,同一台相机就大致合适。
模型与真实相机有何不同
这些机器都是通用类型,没有厂商标志。博物馆记录或专利给出数字(速度、光圈、画幅尺寸、日期)的地方,模型就采用它。没有数字的地方,模型采用典型值,并在控制区下说明:光照等级、帘幕扫过时间(单反 7 毫秒、旁轴 20)、闪光指数、银版感光度与镜头、即影即有相机的 116 mm f/8 镜头和 ISO 150 胶片、一次性相机的设置,以及手抖速率。
照片是绘出的,不是拍摄的。每个物体按自己的圆斑进行模糊处理,公式基于薄透镜,胶片曲线也经过简化。真实镜头有像差,真实快门运行时有加速减速,真实胶片也有模型没有呈现的色偏。单反时序模拟的是事件顺序,不是实测的快门释放过程。暗房时钟快 30 倍,即影即有照片的延时演示快 20 或 40 倍。
常见问题
为什么光圈值越大,进光越少?
因为光圈值是焦距除以开孔直径。数值越大,开孔越小。光量随开孔面积变化,因此 f/16 只放入 f/8 四分之一的光。
EV 是什么意思?
曝光值:log₂(N² / t)。EV 相同的设置,放入的光量相同。f/16 配 1/125 与 f/8 配 1/500 都是 EV 14.97,约 15,适合 ISO 100 胶片在明亮阳光下使用。
1/1000 快门会让整个画面敞开千分之一秒吗?
焦平面快门不会。两道帘幕先后扫过画面,之间的狭缝让每条胶片区域受光千分之一秒。模型中,单反在 1/1000 时的狭缝宽 3.43 mm。
为什么有些老照片里,快速运动的汽车或球会倾斜?
因为狭缝在不同时刻到达画面顶部与底部,而主体在这期间移动。模型中,速度为 20 m/s 的球,在狭缝扫过画面期间,影像横过胶片移动 1.77 mm。
为什么单反不能在 1/1000 下用闪光?
闪光必须在整个画面敞开时触发。焦平面快门只有在闪光同步速度或更慢时才会出现这种状态,模型中为 1/125。更快时,只有狭缝下面的条带被照亮。
什么是景深?
看起来清晰的距离范围。收小光圈、对焦到更远处、使用更短焦距的镜头,都能增大景深。模型的 50 mm 镜头在 f/8 下对焦于 3 m,清晰范围为 2.34 m 到 4.19 m。
什么是超焦距?
使该距离一半到无穷远都清晰的对焦距离。50 mm 镜头在 f/8、弥散圆为 0.03 mm 时,超焦距是 10.5 m。
为什么大画幅相机上的影像上下颠倒?
镜头把场景投射成上下颠倒、左右相反的影像。大画幅相机让你直接在毛玻璃上看这个投影。单反则用反光镜和棱镜将其转正。
为什么双反的影像左右相反?
取景镜头的影像经一面反光镜转向上方屏幕。一次反射使左右反转。
为什么早期照片要求人保持不动?
银版的感光度很低。模型中,达盖尔银版在明亮阳光下约需 5 分钟,移动的人会模糊消失,静止的人则留下。
为什么暗房用红灯?
黑白相纸对红光不敏感,因此可以在微弱红色安全灯下处理。胶片对所有颜色都敏感,装片必须在全黑环境中进行。
摇晃即影即有照片能帮助显影吗?
整体式照片在密封层间显影,遮光剂挡在前面,直到酸层中和碱才变透明。这个过程不需要空气或移动,因此摇晃不会加快化学反应。
1972 年即影即有相机的电池在哪里?
在胶片包里。Land 的 1973 年专利描述了一块位于胶片盒最底部、连接相机底座接点的扁平电池。
一次性相机有多清晰?
固定镜头对焦于超焦距,模型中约为 3.4 m,因此从约 1.7 m 到无穷远都能达到可接受的清晰度。再近就会模糊。
为什么高感光度胶片看起来颗粒粗?
Stanford 讲义将其描述为胶片以颗粒换取感光度:需要更少光的胶片,颗粒会更粗。模型中,颗粒粗细随感光度的平方根增长。
术语
- 光圈:镜头中的开孔,由叶片控制。大小以光圈值表示。
- 光圈值:焦距除以开孔直径。f/2.8 到 f/4 是一挡。
- 挡:光量相差一倍。
- 曝光值(EV):log₂(N² / t)。EV 相同的设置给出相同曝光量。
- 胶片感光度(ISO):胶片最低需要多少光。翻倍可节省一挡。
- 快门时间:胶片曝光的时长,写成 1/125、1/1000 等。
- 镜间快门:镜头内部的叶片,同时开合整个画面的光路。
- 焦平面快门:紧贴胶片前方的两道帘幕;两者之间的狭缝完成曝光。
- 闪光同步速度:焦平面快门能为闪光开放整个画面的最快快门时间。
- 弥散圆:仍看起来像一点的最大模糊圆斑。
- 景深:看起来清晰的距离范围。
- 超焦距:使该距离一半到无穷远都清晰的对焦距离。
- 五棱镜:单反对焦屏上方的五面棱镜。
- 测距器:通过重合主体的两幅视图来测距的装置。
- 潜影:曝光胶片上不可见、经显影才变得可见的变化。
- 定影剂:硫代硫酸钠或硫代硫酸铵,用来去除未显影卤化银。
- 染料显影剂:连接染料与显影剂的分子,用于彩色即影即有胶片。
- 遮光剂:即影即有照片试剂中的染料,在显影期间阻挡光线。
- 定时层:延迟酸中和碱的一层。
参考资料
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解说文章与模拟采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可,另有说明的除外。





