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单反相机的原理和结构


一 单反相机的原理和结构 銅峰电子 刘根
数码单反相机的全称是数码单镜头反光相机(Digital single lens reflex),缩写为 DSLR。 数码单反相机专指使用单镜头取景方式对景物进行拍摄的一种照相机, 拍摄者使用相机背后 的光学取景框进行观察,通过观察安装在相机前段的镜头所提供的视觉角度的大小进行拍 摄。

在单反相机的结构中,

作为重要的是照相的反光镜和相机上端圆拱结构内安装的五面镜或五 棱镜。 拍摄者正是使用这种结构从取景器中直接观察到镜头的影像。 由单镜头反光相机的构 造图可以看到,光线透过镜头到达反光镜后,折射到上面的对焦屏,并结成影像,透过接目 镜和五棱镜, 拍摄者就可以在取景器中看到外面的景物。 这个过程有点像人们透过窗户看到 外面的世界,窗户的大小便是人们看到外面景物的范围。

当拍摄者看到自己满意的角度和拍摄内容的时候, 既可以按动快门。 按动快门的过程就是一 个拍摄和成像的过程,术语称为曝光。不管是胶片单反相机还是数码单反相机,曝光原理是 完全相同的。在按下快门的瞬间,反光镜向上弹起,胶片前面的快门幕帘同时打开,通过镜 头的光线(影像)投射到感光部件上,使胶片或数码相机的感光元件曝光。在按下快门的这 一瞬间,光学取景器中会出现黑屏的情况(黑屏的时间根据快门的快慢而不同),之后反光 镜立即恢复原状,取景器中再次可以看到影像(此时已经完成了一次曝光)。

单反相机的这种构造, 决定了镜头在相机的结构中占有相当重要的地位。 使用这种相机的最 大优势是摄影师在光学取景器中看到的取景范围和感光元件的影像实际拍摄范围基本一致。 摄影师使用不同的镜头配置可以达到很好的拍摄效果, 从具有冲击力的 7.5mm 鱼眼镜头到长 达 1600mm 以上的超级远摄远镜头,都可以安装在同一台相机上,从而拍摄出效果迥异的图 片。此外,单反相机在一定程度上消除了旁轴相机的取景视觉差异,使摄影师可以更精确地 控制取景范围,选择最完美的拍摄角度。

单反相机的劣势: 1.体积庞大,不方便携带 2.相机的制造难度很大,工艺苛刻,价格高 3.镜头虽然种类多,但同样体积庞大 4.和旁轴相比快门操作瞬间有片刻的黑幕

二 小孔成像原理

相机拥有一个很奇妙的成像结构, 无论是数码单反相机还是旁轴相机, 抑或是大画 幅相机,他们的成像原理实际上都是简单的小孔成像。

小孔成像原理, 是指景物透过有针孔的暗箱时, 会在其内部的平面上产生一个左右、 上下颠簸的影响。如果在暗箱和进光点相对应的一个平面上放置一个可保存影像的感光元 件,这个暗室就可以成为一个简单的相机。针孔的大小决定了进光量的多少,因而决定了成 像的时间。

这种传统方式留下的影像不够清晰, 而且没有对景深的认为控制。 使用镜头的意义 就在于替代这个暗室中的小孔。 镜头可以控制进光量, 同时还可以通过对焦距的控制来决定 存留影像的视觉范围。 数码单反相机按照以下步骤生成影像。

1.使用 DSLR 拍摄照片的时候,影响会通过镜头直接照射到 DSLR 的感光元件上。

2.DSLR 经过一段时间的曝光后,光线二极管受到光线的照射,激发释放出电荷,感光元件 的电信号由此产生。

3.控制感光元件的芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制, 由电流传输电路输出,感光元件会将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出。经过放大 和滤波后的电信号被送到 A/D(模/数转换器),由 A/D 将此时的模拟信号转换为数字信号, 数值的大小和电信号, 数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比, 最后就形成了真正 意义上的数字图片,此时的数据保证了最原始的数字图片的细节和面貌没有经过任何的加 工。

4.原始的数字图片会被输出到数字信号处理器。 在信号处理器中, 这些图像数据将经过色彩 校正、白平衡处理(这一步依据 DSLR 中的设定而进行,不同品牌的设定有着很大的区别) 等后期处理,并且编码为 DSLR 可以读取的数据格式后保存下来。

5.将最终产生的图片保存在 DSLR 的存储介质里。

三数码单反相机的核心构件
快门构件 相机曝光时间的长短是通过快门实现的。快门和光圈配合使用,其用途是控制相机内 部感光元件的进光量。在光线条件相同时,要想获得正确的曝光,如果光圈设定的很小,需 要较长时间的曝光,而光圈设定的较大时,则需要较短的时间。 光圈 光圈是镜头内部的一个控制光线进光量的组件。光圈开启的大小是通过一个可调整的 控制器实现的,通常光圈采用多片结构,它类似于人类瞳孔的结构,可以很轻松地关闭和打 开。光圈数值用 F 值表示(有时采用小写的 f),光圈的数值越小,光圈越大,进光量也越大。 镜头体系

镜头是单反相机的眼睛,它的内部由各种透镜组成。每一个品牌的数码单反都有着庞 大的镜头系统,每套系统中的镜头种类繁多,常见的有广角镜头、中焦镜头、微距镜头、长 焦镜头等。 这些产品的用途各异, 影友可以根据拍摄需要和自己的经济实力选择合适的镜头 产品。

四 数码单反相机的对焦系统
什么是对焦 DSLR 的对焦是指相机通过电子及机械设置,根据被摄物体的远近,调节镜头内的 透镜和感光元件的距离,使被摄物体通过镜头后在感光元件上清晰成像。对焦过程中,DSLR 的拍摄对象由模糊到清晰,最终对焦成功,这一过程叫做对焦。

手动对焦

手动对焦是指认为转动镜头对焦环来实现对焦的过程。 这种对焦方式很大程度上依 赖人眼对对焦屏影像的判别和拍摄者对相机使用的熟练程度, 甚至是拍摄者的视力。 在自动

对焦技术诞生之前, 照相机都是使用这种对焦方式完成调焦的操作。 虽然现在的数码相机可 以实现自动对焦, 但毕竟原始的东西才是最稳定可靠, 因此手动对焦作为日常使用的备选功 能的备选功能依然被保留下来并将长期存在。

自动对焦

自动对焦(Auto Focus)又被称为“自动调焦”,缩写为 AF。自动对焦技术早以在 摄影器材中得到普及,也是 DSLR 使用者广泛使用的对焦方式。自动对焦系统根据所获得的 距离信息驱动镜头调节相距,从而完成对焦操作。对影友们来说,自动对焦比手动对焦更快 速、更准确、更方便,但它在光线很弱的情况下可能无法工作。自动对焦使相机使用者在拍 摄过程中基本不用为对焦耗费更多注意力, 从而能够把心思更多地应用在取景和构图上。 另 外,由于自动对焦具有快速、准确的特点,在需要抓拍和拍摄运动物体时,它也更为有效。

DSLR 取景器中拥有多个对焦点可以选择, 这种设置主要针对拍摄的主体在画面中可 能位于不同的位置而设计。 比较先进的 DSLR 可以选择 11 点甚至更多的焦点进行对焦, 而大 多数入门级 DSLR 使用的是 5 点对焦或 7 点对焦。

数码单反 VS 胶片单反 技术进步带来革命

成像方式

胶片单反相机是使用银盐胶片为感光材料的单反照相机。可分为 35mm 照相机(常 称 135 照相机)、120 照相机、126 照相机、中画幅照相机和大画幅照相机等。135 照相机 使用 35mm 胶片(这种规格的底片是目前市面上最为普及的一种胶片产品),其拍摄的标准 画幅为 24mmx36mm,一般每个胶卷根据规格不同可以拍照 36 张、24 张或 12 张。

数码单反相机的成像使用的光学传感器一般有 CCD、CMOS、SUPER CCD、Foveon X3 等多个品种, 存在这些不同产品的主要原因是不同品牌的数码单反相机使用不同的技术, 规 格方面也分为 APS-C、APS-S、全画幅(24mmX36mm)、4/3 等几个不同画面比例的画幅系统。

进入镜头的光线首先被感光元件分为 R(红)、G(绿)、B(蓝)3 个颜色,然后

通过设置在相机内部的处理芯片的计算处理, 被转换成相应的数字文件格式, 并被记录在相 机内部的存储结构里。

照片的预览回放

数码单反相机的背部都安装有一个彩色的液晶显示屏(LCD),这个液晶显示屏不仅 可以回放刚刚拍摄的照片, 而且也为相机的设置和菜单提供了一个显示的空间。 通过这个直 观的彩色显示空间,影友们可以有效地进行功能设定,操作相机。

五 数码单反 VS 胶片单反
成像方式

胶片单反相机是使用银盐胶片为感光材料的单反照相机。可分为 35mm 照相机(常 称为 135 照相机)、120 照相机、110 照相机、126 照相机、中画幅照相机和大画幅照相机

等。135 照相机使用 35mm 胶片(这种规格底片是目前市面上最为普及的一种胶片产品), 其拍摄的标准画幅为 24mm*36mm,一般每个胶卷根据规格不同可拍照 36 张、24 张或 12 张。

数码单反相机的成像使用的光学传感器一般有 CCD、CMOS、SUPER CCD、Foveon X3 等多个品种, 存在这些不同产品的主要原因是不同品牌的数码单反相机使用不同的技术, 规 格方面也分为 APS—C、APS—S、全画幅(24mmX36mm)、4/3 等几个不同画面比例的画幅系 统。

进入镜头的光线首先被感光元件分为 R(红)、G(绿)、B(蓝)3 个蓝色,然后 通过设置在相机内部的处理芯片的计算处理, 被转换成相应的数字文件格式, 并被记录在相 机内部的存储结构里。

照片的预览回放

数码单反相机的背部都安装有一个彩色的液晶显示屏 (LCD) ,这个夜景显示屏不进 可以回放刚刚拍摄的照片, 而且也为相机的设置和菜单提供了一个显示的空间。 通过这个直 观的彩色显示空间,影友们可以有效地进行功能设定,操作相机。

虽然之前的高档胶片相机也有相应的显示数据的夜景窗口, 但他们单色的配置显然 无法与当今数码单反相机的 23 万色、2.5 英寸的 LCD 相提并论。

存储介质的不同

传统的胶片相机使用的存储介质是银盐胶片, 这种存储介质依赖胶片传统的物理特 性,其存储能力已经经过了时间的印证。现在经常可以看到的,老照片展览中,那些珍贵的 底片,在良好的保存条件下可以保存上百年的时间。

数码单反相机使用的存储介质是存储卡,最常见的种类有 CF、SD、XD 以及微型硬 盘。这些使用硅结构的存储卡,有着体积小、重量轻、容量大、读写速度快、可重复写入等 特点,这些特点决定了数码单反相机的使用成本要远远小于胶片产品。在照片保存方面,使 用和计算机相机的存储介质,以数据文件的形式在计算机的硬盘或者数据光盘上存储。

六 感光元件终极解析
感光元件就像是传统摄影中的底片, 它能够将光线转换成电荷信号, 承担着生成影像的责任, 而这一功能是通过电子元件的特性来实现的。

传统底片是利用光线直接在银盐层上发生化学反应, 将光线中的亮度和颜色记载在 底片上。 数码相机则是经过一定规律的运算, 把感光元件采集的电荷信号转换为可见的电子 格式后保存在数码相机的存储器上,最后通过自带的液晶显示器显示阅览效果。

相比于传统胶片单反相机使用的化学显影凡是,这个过程实际上是纯物理的过程, 感光元件就是将光转化为电荷信号的介质。 现在的光学传感器的性能相当优秀, 在很多指标 上已经可以和胶片的成像质量相媲美,甚至更加出色。

CCD 感光元件

CCD 是 Charger Coupled Device(电荷耦合器件图像传感器)的缩写,1969 年由 美国的贝尔实验室开发。CCD 技术诞生初期不被重视,20 世纪 80 年代后期逐渐成熟,20 世 纪 90 年代之后得到了迅猛发展, CCD 的单位面积也呈现出小型化的趋势。 世纪 90 年代后 20 期,此项技术逐渐拥有了实用意义并出现在消费级数码相机产品上。

CCD 是由大量微小的光电二极管和译码寻址电路构成的固态电子感光成像部件, 通 过光电二极管特有的排列方式进行排布组成,实际上是一种具有高感光度的半导体材料。

这种特殊的高感光度的半导体材料能把光线转变成电荷, 通过 A/D 芯片转换成数字 信号, 这些数字信号经过压缩后可由相机内部的存储介质和各类存储卡保存, 因此可以轻而 易举地把数据传输给任何有存储介质的数码类产品。 使用这种方式保存的图片更便于通过各 种软件进行处理以达到最好的效果。

CCD 有其鲜明的特点,虽然感光方式复杂,但成像质量较高,工艺简单。相比传统 的胶片工艺,CCD 的成像原理类似人的眼睛,使用电子元件代替人眼视网膜上负责光强度感 应的杆细胞和负责色彩感应的锥细胞,最终形成可以由人眼识别的图像。

CCD 技术经过近 40 年的不断发展,现在已经达到非常成熟的阶段。目前索尼、柯 达、富士、夏普等厂商都在从事 CCD 的生产。

由于 CCD 感光元件采用单一的通道, 因此光效率比较低, 而且传送电荷信号需要电 压的支持, 因此耗电量大, 但是单一的通道有利于在信号传输中减少电荷放大时产生的噪声。

CMOS 图像传感器

CMOS 是感光元件行业的后来者,诞生于20世纪80年代。CMOS 又可分为被动式 像素传感器与主动式像素传感器。起初人们将 CMOS 用于计算机上的一种重要芯片,随着科 技的发展,CMOS 逐渐发展为一种重要的感光元件,其芯片功能逐渐消失。CMOS 的工作原理 比 CCD 更为简单, 它利用由硅和褚两种元素制作的半导体, 通过自带负电和正电的晶体管来 实现基本功能,这两个互补效应所产生的电流可被处理芯片记录和解读成影像。

CMOS的工作原理与 CCD 工作原理的不同之处在于,CMOS 的每个像素点都实现了 一个放大器的功能,信号直接在最原始的时候转换,更方便进行读取。传输已经经过转换的 信号,就会使用更低的电压,功耗也更低。不过,每个像素本身的放大器功能会增加画面的 噪点。

谈到 CMOS 就不能不提到佳能。早期的 CMOS 产品使用在照相机上缺点是很明显的, 噪点的控制能力很有限,敏感度也不够,和盛极一时的 CCD 相比劣势明显,因此在数码相机 诞生之初,CMOS 没能占据主流市场。佳能却在这时反其道而行之,在其发布的准专业及后 期的专业数码单反产品中大量采用 CMOS 图像传感器。在佳能 EOS 数码单反相机产品线上, 无一例外地采用了 CMOS 传感器。

CMOS 更有利于对像素的集成,结构相对简单,在单一电源下就可以工作,而传统 的 CCD 必须使用3个以上的电源。与同像素的 CCD 产品相比,CMOS 耗电量更小。另一方面, CMOS 采用标准工艺制成,可利用现有的半导体制造流水线,不需额外投资生产设备,节约 了制造成本, 并且品质可随半导体技术的进步而提升, 索尼在很短的时间内研究制出超过1 000万像素的 CMOS 产品就是一个很好的证明。

CMOS CMOS VS CCD 感光元件未来发展趋势

从目前的情况看,CMOS 具有与生俱来的众多优势。CMOS 产品可以在不改造流水线 的情况下进一步提高像素数,在工艺改良上也简单一些。另外,CMOS 像素数的提升与传感 器尺寸的增加是相辅相成的,所以更容易生成像素高、幅面大的感光元件产品,而使用大画 幅的感光元件已经成为趋势。

应该说 CCD 在成像素质上先天的优势仍然存在,其真正的软肋来自生产流水线环 节。随着 CCD 尺寸的增加,其生产线往往要进行相应的调整,这也是高像素 CCD 在国际市场 上的售价居高不下的原因。

两年前尼康的旗舰产品使用 CMOS 传感器的那一天, 就意味着 CMOS 的时代即将来临, 尤其是在感光元件尺寸较大的数码单反领域, 尼康 D2X 成为继佳能、 柯达之后第三款采用大 尺寸 CMOS 传感器的 DSLR,速度之快让人惊叹。实际上为尼康提供 CMOS 的是索尼,一直在 CCD 技术方面保持领先的索尼居然在这么短的时间内制造出专业级别的 CMOS 传感器,其在 影像传感器方面的技术势力不容低估。

索尼为尼康提供的专业级 CMOS, 打破了佳能在 CMOS 技术上的壁垒。 可以预见, CMOS 产品凭借索尼和佳能两大厂商的技术支持, 以及其本身低成本的特性, 会令数码相机单反产 业进一步走向多元化的未来,CMOS 将继续在这一领域大放异彩。但就近几年的情况来看, 现在的 CCD 产品生产质量过关且产能巨大,应该还将在市场上存在很长的时间。

独树一帜的 Super CCD

富士的数码单反相机 S 系列一直以颜色还原真实、 成像素质优秀著称。 这全要归功 于富于独树一帜的 Super CCD 技术,经过多代改良的 Super CCD SR 技术可以让数码相机拥 有更大的动态范围。SR 是英文 Super Dynamic Ranger 的缩写,这种技术可以在现有的传统 CCD 技术的基础上使动态密度有效提升,从而使照片具有完美的画面细节。这种技术已经接 近了普通传统负片胶卷的水平, 也就是说即使在极其微弱的光照条件下, 照片都可以在暗部 保留大量的细节。

七 光学取景器
光学取景器可以分为旁轴式取景器和单镜头反光取景器两种,所有的 DSLR 都采用单镜头 反光取景器。光学取景器使用起来简单方便,人们可以通过镜头朝向来观察景物。 实际上,光学取景器的设计结构很复杂,直接通过镜头取景,需要光线从镜头射入, 经过一面反光镜后折射到上方的对焦成像, 再折射到目镜中, 这样拍摄者才能从取景器中看 到所要拍摄的图像。由于直接通过镜头取景,解决了图像偏差的问题,这种取景方式真正实 现了“所见即所得”的效果。 高端的数码相机使用的光学取景器可以达到 100%的视野范围, 也就是说拍摄者看到的 范围和相机拍摄的范围完全一致,这对相机的设计要求更高,成为更为昂贵。这一设计最大 的优势在于拍摄者可以集中精力观察拍摄对象, 不会收到周边环境的干扰, 而且这种取景方 式要求拍摄者采用最标准的姿势, 这就使得拍摄者的稳定性大大提高, 从而能大大降低了拍 虚的概率。 LCD 显示器和 LCD 取景 对于大部分 DSLR 来说,LCD 显示器只能起到拍摄结束后看拍摄效果的作用,单反相 机结构的限制决定其无法像消费级数码相机那样实现 LCD 取景。 但是这种情况也有例外,奥林巴斯 4/3 系统的 DSLR 采用独特的结构设计,率先实现 了数码单反的 LCD 实时取景,在其相机内部有一块单独的 CCD 为 LCD 的取景提供数字信 号,而其可翻转的 LCD 设计同样是开创性的,为 DSLR 的取景方式带来的革命。 如今,新型的数码单反相机已经可以轻松的实现 LCD 取景以扩大相机使用范围。 最高分辨率 一台 DSLR 的最佳画面质量是使用最高分辨率来表现的,什么是最高分辨率呢?

和消费及数码相机一样,DSLR 的分辨率要用像素来表现,每台 DSLR 所能拍摄的最 高像素照片的分辨率称为最高分辨率,用长边像素 X 短边像素表示。照片分辨率越高,照 片的面积越大,图像包含的数据也就越多,能够表现的细节也就越丰富,同时文件体积也越 大。 更大的文件体积需要耗用更多的存储资源, 在后期处理时也会耗用更多的内存与更大的 硬盘空间。


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