数码相机的结构原理（二）
笪艾宇佳
例如，用于１／４英寸ＣＣＤ的数码相机的摄影镜头，它的１／４英寸ＣＣＤ与３５ｍｍ胶片相比，对角线之比为１∶９．６，如图３所示（图中ＡＰＳ为先进照相系统
３５ｍｍ胶片ＡＰＳ１／３″
１／４″
画幅尺寸
Ｆ３Ｆ２
Ｆ１
图5镜头的焦距与视场角示图
专用胶片）。其镜头视场角的比例也是１∶９．６，在设计时只要镜头的尺寸和焦距按比例缩小就行，如图４所示。
ｙｙｙｙＡ６０Ｗ０Ｗ
图3C C D 与胶片的画面尺寸比较图
音
像天地
在有的相机上是广角效果，但在别的相机上可能就变
１／３″
１／４″
１／９．６１／７．２
成了标准镜头，所以，我们要依靠焦距值来区分数码
数码相机厂家相机镜头的视场是很不方便的。为此，
通常都会提供一个容易比较的相对值，也就是标出与数码相机镜头视场角相同的３５ｍｍ相机镜头焦距，这样的对应焦距值我们就很容易理解了。像富士ＭＸ－７００的镜头焦距是７．６ｍｍ，对角线视场角７０°，相当于３５ｍｍ镜头，是个小广角；尼康的ＣＯＯＬＰＩＸ９００装有５．８～１７．４ｍｍ镜头，相当于３８～１１５ｍｍ的标准变焦镜头，我们在评价与选购数码相机时，也只要参考换算到３５ｍｍ相机的镜头焦距就可以了。
数码相机镜头的ＣＣＤ的面积小于胶片，要实现小面积的优质成像，只要很小的透镜尺寸就足够了。而且，实际上决定镜头结构的是它的有效视角，而不是简单的焦距值，数码相机上的９ｍｍ镜头采用的是传统相同的３５ｍｍ小广角镜头的设计，而不是９ｍｍ鱼眼镜数码相机镜头的焦距值与实际成像头的结构。因此，效果并无直接联系，由于透镜的体积小了，相对成本就降低了，而成像的质量却增加了。
一些数码相机没有标准镜头，但可在广角和长焦之间向前或向后拉动镜头，由于宽镜头不十分宽，长镜头不十分长，所以，一种镜头就能满足大多数普通照相的需要。现有的数码相机中大多数不带变焦镜头。这是因为数码相机对镜头的要求非常高，使得镜头的价格占整机的比例也加大。考虑成本的关系，中低档数码相机不太可能装备价格昂贵的变焦镜头。为代替变焦镜头，一些数码相机带有两焦距切换装置，该装置不像变焦镜头那样自由，而只在“广角”和“望远”两档间切换使用。
5. 低通滤光器
光学低通滤光器的作用是防止由ＣＣＤ影像传感
图4同一视场角C C D 与35m m 胶片的焦距图
数码相机镜头上标明的焦距通常是７ｍｍ、９ｍｍ，
在３５ｍｍ相机上都是超广角或鱼眼镜头，而对于数码相机来说，它们只相当于３５ｍｍ相机的小广角镜头。镜头视场角与焦距的关系是什么呢？从镜头的中心节点到成像平面对角线进入的角度，广角镜头具有更大的视场角，能比我们的眼睛“看到”更多的景物。通过广角镜头看的物体比用标准镜头看到的要小很多。长焦镜头的视场角较小，只能看到一个狭小角度内的物
就像通过望远体，看到的物体少，物体显得大了许多。镜看东西一样，物体被放大，长焦镜头也因此被称为
摄远镜头。我们不能看出，对于相同的成像面积，镜头焦距越短视场角就越大；而对于同样焦距的镜头而言，成像面积越小，镜头的视场角也越小，如图５所示。
３５ｍｍ相机的成像面积等于１３５胶卷的感光面积———标准的３６ｍｍ×２４ｍｍ，数码相机使用ＣＣＤ传感器代替了传统相机胶卷的位置，其面积有好几种规格，从高档专业相机的１８．４ｍｍ×２７．６ｍｍ到普通数码相机的２／３、１／２、１／３英寸各不相同。也就是说，同样的９ｍｍ镜头，在有的相机上是广角效果，但在别的相机上可能就变成了标准镜头。所以，我们要依靠镜头，
胶片
7（
器由于像素间隔产生的伪色及波纹。数码相机采用了水晶等的光学折射特性截去高频部分的方法来实现低通滤光器的功能，由于低通滤光器会使分辨能力下降，因此，有些机子不采用低通滤光器的。
6. 红外截止滤光器
数码相机属于无胶片照相机，不受胶卷对中的限制，所以相机的镜头可以随意设置，不必一定在机身正面的中央，有时可以靠近一边或角上。此外，由于ＣＣＤ对红外线比较敏感，镜头增加特殊的镀层或外加滤镜也会大大提高成像质量。
毕。
陈列ＣＣＤ包含一个光敏元件矩阵，而不是单条线的ＣＣＤ元件。矩阵中的每个元件代表图像中的一个像素。当快门按动时，整个图像同时曝光，同时拍摄，显然，矩阵中的像素越多，所获得的图像分辨率就越好。
除ＣＣＤ外，近年ＣＭＯＳ光电转换器件技术也在发展，ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）器件与ＣＣＤ相比，ＣＭＯＳ很容易与Ａ／Ｄ电路、数字信号处理等电路集成在一起，ＣＭＯＳ芯片生产成本低，成品率高，并且明显降低了功耗。此外，ＣＣＤ只能单一的锁存落到成千上万的采样点上的光线的状态，ＣＭＯＳ则可以完成其他许多功能：如：模／数转换、负载信号处理、白平衡处理及相机控制等。还有可能在不会大幅度提高成本的前提下增加ＣＭＯＳ的密度和位深度。鉴于上述原因，很多业界分析家认为，将来终有一天，所有的初级数码相机都将是基于ＣＭＯＳ器件的，而只有中档和高端产品仍将使用ＣＣＤ。目前，ＣＭＯＳ成像器件在解像度和色彩还原方面还不尽如人意，如图像有噪声，准确捕获动态图像的能力还不强。这表明，ＣＭＯＳ要想终成大器，还有很长的路要走。
2. C C D 颜色的处理
为了获得彩色图像，光线必须在到达ＣＣＤ前经过一组彩色滤波器，每个彩色滤波器分离出组成彩色图像的红、绿、蓝三原色中的一色。
线性ＣＣＤ数码相机使用３线ＣＣＤ处理彩色，它实际上将三行滤波器嵌在ＣＣＤ元件上，每个滤波器分离出一个不同的原色，但ＣＣＤ可同时捕获所有的三色，这消除了分色问题并加快实际的相片生成速度，当然，这类系统仍然较慢，不能用于快照相机中。
阵列ＣＣＤ数码相机处理彩色的方法有两种：
一种方法是：将彩色滤波器嵌在ＣＣＤ矩阵中，相近的像素具有不同的滤波器，在记录相片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，并与最接近它的相同颜色点作平均，对中间点进行估算。该方法允许瞬间曝光，微处理器能处理得非常快。唯一的不足是所生成的图像略有点模糊，因为其中含有数字计算；
另一种方法是：使用三棱镜，它将从镜头射入的光分成多个阵列，每个阵列都有不同的内置光栅来过滤三原色，这些图像再合成出一个高分辩率的、颜色精确的图像。虽然平均的方法仍是处理过程的一部分，但因为有许多的信息可用于平均，其结果也就更加精确。该方法的主要缺陷在于包含的数据太多。它们存储在相机的ＲＡＭ缓冲区内，在你拍摄另一张相片前，必须存储图像并清除缓冲区，这类数码相机必须接在计算机上，主要用于室内拍摄。价格非常昂
（待续）贵。
音
像天地
二、图像传感器
图像传感器又称影像传感器或光电传感器，其作
目用是将接收到的光（图像）信号转变为模拟电信号。前，数码相机使用的图像传感器有占主导地位的ＣＣＤ和新开发的ＣＭＯＳ两种类型。
1. C C D 与C M O S 的图像传感器
目前，绝大多数生产厂家采用的是ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）电荷耦合器件。ＣＣＤ是由纵横排列有序的最多可达百万个光电二极管及译码寻址电路组成。当光线经镜头汇聚成像在ＣＣＤ上时，每个光电二极管会因感受到的光强的不同而耦合出不同数量的电荷。通过译码电路可取到每一个光电二极管上耦合出的电荷而形成电流，该电流经Ａ／Ｄ变换即形成一个二进制数字量，该数字即对应一个像素点，实际中二极管数量通常大于照片像素点数量，上百万像素点数字量的集合，即构成了数字照片，接下来就是如何进一步处理、保存这些数字。ＣＣＤ的像素和面积是决定画质的重要因素，像素数越多、面积越大，图像质量越高。目前中档数码相机大多使用像素数３５～４１万、１／３英寸ＣＣＤ；高档机则使用像素数８０～１４０万、２／３英寸ＣＣＤ。此外，ＣＣＤ的像素形状对画质也有影响，早期的数码相机沿用电视摄像机所用的竖长型画ＣＣＤ，但是，由于电脑的画面是由正方型的像素构成的，从ＣＣＤ直接输入到电脑的图像会变成宽型。为了正确表现图像，需要经过软件进行一定比例的修正，这样一来，图像也有一定程度的失真，因此，目前专门设计的正方像素ＣＣＤ的机子在逐步增加。
ＣＣＤ从结构原理上可分为线性ＣＣＤ（ｌｉｎｅａｒＣＣＤ）和阵列（ＣＣＤＡＲＲＡＹ）两种方式。线性ＣＣＤ每次只拍摄图像的一条线，用于高分辩率的室内扫描数码相机，线性ＣＣＤ扫描影像时，在图中画出像素组成的每条线，这与台式扫描仪扫描图片的方法相同，速度很慢，分辨率越高，获得一幅完整的图像需要的时间就越长。此外，使用线性ＣＣＤ扫描的数码相机需要一个保持静止的目标，无法使用线性ＣＣＤ来拍摄移动物体。室内照明或明亮的阳光是线性ＣＣＤ必须的，线性ＣＣＤ无法使用闪光灯，以为它一闪而过，不可能持续几分钟来等待图像的扫描与记录完
数码相机的结构原理（二）
笪艾宇佳
例如，用于１／４英寸ＣＣＤ的数码相机的摄影镜头，它的１／４英寸ＣＣＤ与３５ｍｍ胶片相比，对角线之比为１∶９．６，如图３所示（图中ＡＰＳ为先进照相系统
３５ｍｍ胶片ＡＰＳ１／３″
１／４″
画幅尺寸
Ｆ３Ｆ２
Ｆ１
图5镜头的焦距与视场角示图
专用胶片）。其镜头视场角的比例也是１∶９．６，在设计时只要镜头的尺寸和焦距按比例缩小就行，如图４所示。
ｙｙｙｙＡ６０Ｗ０Ｗ
图3C C D 与胶片的画面尺寸比较图
音
像天地
在有的相机上是广角效果，但在别的相机上可能就变
１／３″
１／４″
１／９．６１／７．２
成了标准镜头，所以，我们要依靠焦距值来区分数码
数码相机厂家相机镜头的视场是很不方便的。为此，
通常都会提供一个容易比较的相对值，也就是标出与数码相机镜头视场角相同的３５ｍｍ相机镜头焦距，这样的对应焦距值我们就很容易理解了。像富士ＭＸ－７００的镜头焦距是７．６ｍｍ，对角线视场角７０°，相当于３５ｍｍ镜头，是个小广角；尼康的ＣＯＯＬＰＩＸ９００装有５．８～１７．４ｍｍ镜头，相当于３８～１１５ｍｍ的标准变焦镜头，我们在评价与选购数码相机时，也只要参考换算到３５ｍｍ相机的镜头焦距就可以了。
数码相机镜头的ＣＣＤ的面积小于胶片，要实现小面积的优质成像，只要很小的透镜尺寸就足够了。而且，实际上决定镜头结构的是它的有效视角，而不是简单的焦距值，数码相机上的９ｍｍ镜头采用的是传统相同的３５ｍｍ小广角镜头的设计，而不是９ｍｍ鱼眼镜数码相机镜头的焦距值与实际成像头的结构。因此，效果并无直接联系，由于透镜的体积小了，相对成本就降低了，而成像的质量却增加了。
一些数码相机没有标准镜头，但可在广角和长焦之间向前或向后拉动镜头，由于宽镜头不十分宽，长镜头不十分长，所以，一种镜头就能满足大多数普通照相的需要。现有的数码相机中大多数不带变焦镜头。这是因为数码相机对镜头的要求非常高，使得镜头的价格占整机的比例也加大。考虑成本的关系，中低档数码相机不太可能装备价格昂贵的变焦镜头。为代替变焦镜头，一些数码相机带有两焦距切换装置，该装置不像变焦镜头那样自由，而只在“广角”和“望远”两档间切换使用。
5. 低通滤光器
光学低通滤光器的作用是防止由ＣＣＤ影像传感
图4同一视场角C C D 与35m m 胶片的焦距图
数码相机镜头上标明的焦距通常是７ｍｍ、９ｍｍ，
在３５ｍｍ相机上都是超广角或鱼眼镜头，而对于数码相机来说，它们只相当于３５ｍｍ相机的小广角镜头。镜头视场角与焦距的关系是什么呢？从镜头的中心节点到成像平面对角线进入的角度，广角镜头具有更大的视场角，能比我们的眼睛“看到”更多的景物。通过广角镜头看的物体比用标准镜头看到的要小很多。长焦镜头的视场角较小，只能看到一个狭小角度内的物
就像通过望远体，看到的物体少，物体显得大了许多。镜看东西一样，物体被放大，长焦镜头也因此被称为
摄远镜头。我们不能看出，对于相同的成像面积，镜头焦距越短视场角就越大；而对于同样焦距的镜头而言，成像面积越小，镜头的视场角也越小，如图５所示。
３５ｍｍ相机的成像面积等于１３５胶卷的感光面积———标准的３６ｍｍ×２４ｍｍ，数码相机使用ＣＣＤ传感器代替了传统相机胶卷的位置，其面积有好几种规格，从高档专业相机的１８．４ｍｍ×２７．６ｍｍ到普通数码相机的２／３、１／２、１／３英寸各不相同。也就是说，同样的９ｍｍ镜头，在有的相机上是广角效果，但在别的相机上可能就变成了标准镜头。所以，我们要依靠镜头，
胶片
7（
器由于像素间隔产生的伪色及波纹。数码相机采用了水晶等的光学折射特性截去高频部分的方法来实现低通滤光器的功能，由于低通滤光器会使分辨能力下降，因此，有些机子不采用低通滤光器的。
6. 红外截止滤光器
数码相机属于无胶片照相机，不受胶卷对中的限制，所以相机的镜头可以随意设置，不必一定在机身正面的中央，有时可以靠近一边或角上。此外，由于ＣＣＤ对红外线比较敏感，镜头增加特殊的镀层或外加滤镜也会大大提高成像质量。
毕。
陈列ＣＣＤ包含一个光敏元件矩阵，而不是单条线的ＣＣＤ元件。矩阵中的每个元件代表图像中的一个像素。当快门按动时，整个图像同时曝光，同时拍摄，显然，矩阵中的像素越多，所获得的图像分辨率就越好。
除ＣＣＤ外，近年ＣＭＯＳ光电转换器件技术也在发展，ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）器件与ＣＣＤ相比，ＣＭＯＳ很容易与Ａ／Ｄ电路、数字信号处理等电路集成在一起，ＣＭＯＳ芯片生产成本低，成品率高，并且明显降低了功耗。此外，ＣＣＤ只能单一的锁存落到成千上万的采样点上的光线的状态，ＣＭＯＳ则可以完成其他许多功能：如：模／数转换、负载信号处理、白平衡处理及相机控制等。还有可能在不会大幅度提高成本的前提下增加ＣＭＯＳ的密度和位深度。鉴于上述原因，很多业界分析家认为，将来终有一天，所有的初级数码相机都将是基于ＣＭＯＳ器件的，而只有中档和高端产品仍将使用ＣＣＤ。目前，ＣＭＯＳ成像器件在解像度和色彩还原方面还不尽如人意，如图像有噪声，准确捕获动态图像的能力还不强。这表明，ＣＭＯＳ要想终成大器，还有很长的路要走。
2. C C D 颜色的处理
为了获得彩色图像，光线必须在到达ＣＣＤ前经过一组彩色滤波器，每个彩色滤波器分离出组成彩色图像的红、绿、蓝三原色中的一色。
线性ＣＣＤ数码相机使用３线ＣＣＤ处理彩色，它实际上将三行滤波器嵌在ＣＣＤ元件上，每个滤波器分离出一个不同的原色，但ＣＣＤ可同时捕获所有的三色，这消除了分色问题并加快实际的相片生成速度，当然，这类系统仍然较慢，不能用于快照相机中。
阵列ＣＣＤ数码相机处理彩色的方法有两种：
一种方法是：将彩色滤波器嵌在ＣＣＤ矩阵中，相近的像素具有不同的滤波器，在记录相片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，并与最接近它的相同颜色点作平均，对中间点进行估算。该方法允许瞬间曝光，微处理器能处理得非常快。唯一的不足是所生成的图像略有点模糊，因为其中含有数字计算；
另一种方法是：使用三棱镜，它将从镜头射入的光分成多个阵列，每个阵列都有不同的内置光栅来过滤三原色，这些图像再合成出一个高分辩率的、颜色精确的图像。虽然平均的方法仍是处理过程的一部分，但因为有许多的信息可用于平均，其结果也就更加精确。该方法的主要缺陷在于包含的数据太多。它们存储在相机的ＲＡＭ缓冲区内，在你拍摄另一张相片前，必须存储图像并清除缓冲区，这类数码相机必须接在计算机上，主要用于室内拍摄。价格非常昂
（待续）贵。
音
像天地
二、图像传感器
图像传感器又称影像传感器或光电传感器，其作
目用是将接收到的光（图像）信号转变为模拟电信号。前，数码相机使用的图像传感器有占主导地位的ＣＣＤ和新开发的ＣＭＯＳ两种类型。
1. C C D 与C M O S 的图像传感器
目前，绝大多数生产厂家采用的是ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）电荷耦合器件。ＣＣＤ是由纵横排列有序的最多可达百万个光电二极管及译码寻址电路组成。当光线经镜头汇聚成像在ＣＣＤ上时，每个光电二极管会因感受到的光强的不同而耦合出不同数量的电荷。通过译码电路可取到每一个光电二极管上耦合出的电荷而形成电流，该电流经Ａ／Ｄ变换即形成一个二进制数字量，该数字即对应一个像素点，实际中二极管数量通常大于照片像素点数量，上百万像素点数字量的集合，即构成了数字照片，接下来就是如何进一步处理、保存这些数字。ＣＣＤ的像素和面积是决定画质的重要因素，像素数越多、面积越大，图像质量越高。目前中档数码相机大多使用像素数３５～４１万、１／３英寸ＣＣＤ；高档机则使用像素数８０～１４０万、２／３英寸ＣＣＤ。此外，ＣＣＤ的像素形状对画质也有影响，早期的数码相机沿用电视摄像机所用的竖长型画ＣＣＤ，但是，由于电脑的画面是由正方型的像素构成的，从ＣＣＤ直接输入到电脑的图像会变成宽型。为了正确表现图像，需要经过软件进行一定比例的修正，这样一来，图像也有一定程度的失真，因此，目前专门设计的正方像素ＣＣＤ的机子在逐步增加。
ＣＣＤ从结构原理上可分为线性ＣＣＤ（ｌｉｎｅａｒＣＣＤ）和阵列（ＣＣＤＡＲＲＡＹ）两种方式。线性ＣＣＤ每次只拍摄图像的一条线，用于高分辩率的室内扫描数码相机，线性ＣＣＤ扫描影像时，在图中画出像素组成的每条线，这与台式扫描仪扫描图片的方法相同，速度很慢，分辨率越高，获得一幅完整的图像需要的时间就越长。此外，使用线性ＣＣＤ扫描的数码相机需要一个保持静止的目标，无法使用线性ＣＣＤ来拍摄移动物体。室内照明或明亮的阳光是线性ＣＣＤ必须的，线性ＣＣＤ无法使用闪光灯，以为它一闪而过，不可能持续几分钟来等待图像的扫描与记录完