單反相機的原理和結(jié)構(gòu).doc

一 單反相機的原理和結(jié)構(gòu) 銅峰電子 劉根數(shù)碼單反相機的全稱是數(shù)碼單鏡頭反光相機（Digital single lens reflex）,縮寫為DSLR。數(shù)碼單反相機專指使用單鏡頭取景方式對景物進行拍攝的一種照相機，拍攝者使用相機背后的光學取景框進行觀察，通過觀察安裝在相機前段的鏡頭所提供的視覺角度的大小進行拍攝。在單反相機的結(jié)構(gòu)中，作為重要的是照相的反光鏡和相機上端圓拱結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝的五面鏡或五棱鏡。拍攝者正是使用這種結(jié)構(gòu)從取景器中直接觀察到鏡頭的影像。由單鏡頭反光相機的構(gòu)造圖可以看到，光線透過鏡頭到達反光鏡后，折射到上面的對焦屏，并結(jié)成影像，透過接目鏡和五棱鏡，拍攝者就可以在取景器中看到外面的景物。這個過程有點像人們透過窗戶看到外面的世界，窗戶的大小便是人們看到外面景物的范圍。當拍攝者看到自己滿意的角度和拍攝內(nèi)容的時候，既可以按動快門。按動快門的過程就是一個拍攝和成像的過程，術(shù)語稱為曝光。不管是膠片單反相機還是數(shù)碼單反相機，曝光原理是完全相同的。在按下快門的瞬間，反光鏡向上彈起，膠片前面的快門幕簾同時打開，通過鏡頭的光線（影像）投射到感光部件上，使膠片或數(shù)碼相機的感光元件曝光。在按下快門的這一瞬間，光學取景器中會出現(xiàn)黑屏的情況（黑屏的時間根據(jù)快門的快慢而不同），之后反光鏡立即恢復原狀，取景器中再次可以看到影像（此時已經(jīng)完成了一次曝光）。單反相機的這種構(gòu)造，決定了鏡頭在相機的結(jié)構(gòu)中占有相當重要的地位。使用這種相機的最大優(yōu)勢是攝影師在光學取景器中看到的取景范圍和感光元件的影像實際拍攝范圍基本一致。攝影師使用不同的鏡頭配置可以達到很好的拍攝效果，從具有沖擊力的7.5mm魚眼鏡頭到長達1600mm以上的超級遠攝遠鏡頭，都可以安裝在同一臺相機上，從而拍攝出效果迥異的圖片。此外，單反相機在一定程度上消除了旁軸相機的取景視覺差異，使攝影師可以更精確地控制取景范圍，選擇最完美的拍攝角度。單反相機的劣勢：1.體積龐大，不方便攜帶2.相機的制造難度很大，工藝苛刻，價格高3.鏡頭雖然種類多，但同樣體積龐大4.和旁軸相比快門操作瞬間有片刻的黑幕二 小孔成像原理 相機擁有一個很奇妙的成像結(jié)構(gòu)，無論是數(shù)碼單反相機還是旁軸相機，抑或是大畫幅相機，他們的成像原理實際上都是簡單的小孔成像。 小孔成像原理，是指景物透過有針孔的暗箱時，會在其內(nèi)部的平面上產(chǎn)生一個左右、上下顛簸的影響。如果在暗箱和進光點相對應的一個平面上放置一個可保存影像的感光元件，這個暗室就可以成為一個簡單的相機。針孔的大小決定了進光量的多少，因而決定了成像的時間。 這種傳統(tǒng)方式留下的影像不夠清晰，而且沒有對景深的認為控制。使用鏡頭的意義就在于替代這個暗室中的小孔。鏡頭可以控制進光量，同時還可以通過對焦距的控制來決定存留影像的視覺范圍。數(shù)碼單反相機按照以下步驟生成影像。1.使用DSLR拍攝照片的時候，影響會通過鏡頭直接照射到DSLR的感光元件上。2.DSLR經(jīng)過一段時間的曝光后，光線二極管受到光線的照射，激發(fā)釋放出電荷，感光元件的電信號由此產(chǎn)生。3.控制感光元件的芯片利用感光元件中的控制信號線路對光電二極管產(chǎn)生的電流進行控制，由電流傳輸電路輸出，感光元件會將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來，統(tǒng)一輸出。經(jīng)過放大和濾波后的電信號被送到A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，由A/D將此時的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)值的大小和電信號，數(shù)值的大小和電信號的強度即電壓的高低成正比，最后就形成了真正意義上的數(shù)字圖片，此時的數(shù)據(jù)保證了最原始的數(shù)字圖片的細節(jié)和面貌沒有經(jīng)過任何的加工。4.原始的數(shù)字圖片會被輸出到數(shù)字信號處理器。在信號處理器中，這些圖像數(shù)據(jù)將經(jīng)過色彩校正、白平衡處理（這一步依據(jù)DSLR中的設(shè)定而進行，不同品牌的設(shè)定有著很大的區(qū)別）等后期處理，并且編碼為DSLR可以讀取的數(shù)據(jù)格式后保存下來。5.將最終產(chǎn)生的圖片保存在DSLR的存儲介質(zhì)里。三數(shù)碼單反相機的核心構(gòu)件快門構(gòu)件 相機曝光時間的長短是通過快門實現(xiàn)的。快門和光圈配合使用，其用途是控制相機內(nèi)部感光元件的進光量。在光線條件相同時，要想獲得正確的曝光，如果光圈設(shè)定的很小，需要較長時間的曝光，而光圈設(shè)定的較大時，則需要較短的時間。 光圈 光圈是鏡頭內(nèi)部的一個控制光線進光量的組件。光圈開啟的大小是通過一個可調(diào)整的控制器實現(xiàn)的，通常光圈采用多片結(jié)構(gòu)，它類似于人類瞳孔的結(jié)構(gòu)，可以很輕松地關(guān)閉和打開。光圈數(shù)值用F值表示（有時采用小寫的f）,光圈的數(shù)值越小，光圈越大，進光量也越大。 鏡頭體系 鏡頭是單反相機的眼睛，它的內(nèi)部由各種透鏡組成。每一個品牌的數(shù)碼單反都有著龐大的鏡頭系統(tǒng)，每套系統(tǒng)中的鏡頭種類繁多，常見的有廣角鏡頭、中焦鏡頭、微距鏡頭、長焦鏡頭等。這些產(chǎn)品的用途各異，影友可以根據(jù)拍攝需要和自己的經(jīng)濟實力選擇合適的鏡頭產(chǎn)品。四 數(shù)碼單反相機的對焦系統(tǒng)什么是對焦 DSLR的對焦是指相機通過電子及機械設(shè)置，根據(jù)被攝物體的遠近，調(diào)節(jié)鏡頭內(nèi)的透鏡和感光元件的距離，使被攝物體通過鏡頭后在感光元件上清晰成像。對焦過程中，DSLR的拍攝對象由模糊到清晰，最終對焦成功，這一過程叫做對焦。 手動對焦 手動對焦是指認為轉(zhuǎn)動鏡頭對焦環(huán)來實現(xiàn)對焦的過程。這種對焦方式很大程度上依賴人眼對對焦屏影像的判別和拍攝者對相機使用的熟練程度，甚至是拍攝者的視力。在自動對焦技術(shù)誕生之前，照相機都是使用這種對焦方式完成調(diào)焦的操作。雖然現(xiàn)在的數(shù)碼相機可以實現(xiàn)自動對焦，但畢竟原始的東西才是最穩(wěn)定可靠，因此手動對焦作為日常使用的備選功能的備選功能依然被保留下來并將長期存在。 自動對焦 自動對焦（Auto Focus）又被稱為“自動調(diào)焦”，縮寫為AF。自動對焦技術(shù)早以在攝影器材中得到普及，也是DSLR使用者廣泛使用的對焦方式。自動對焦系統(tǒng)根據(jù)所獲得的距離信息驅(qū)動鏡頭調(diào)節(jié)相距，從而完成對焦操作。對影友們來說，自動對焦比手動對焦更快速、更準確、更方便，但它在光線很弱的情況下可能無法工作。自動對焦使相機使用者在拍攝過程中基本不用為對焦耗費更多注意力，從而能夠把心思更多地應用在取景和構(gòu)圖上。另外，由于自動對焦具有快速、準確的特點，在需要抓拍和拍攝運動物體時，它也更為有效。 DSLR取景器中擁有多個對焦點可以選擇，這種設(shè)置主要針對拍攝的主體在畫面中可能位于不同的位置而設(shè)計。比較先進的DSLR可以選擇11點甚至更多的焦點進行對焦，而大多數(shù)入門級DSLR使用的是5點對焦或7點對焦。 數(shù)碼單反VS膠片單反 技術(shù)進步帶來革命成像方式膠片單反相機是使用銀鹽膠片為感光材料的單反照相機。可分為35mm照相機（常稱135照相機）、120照相機、126照相機、中畫幅照相機和大畫幅照相機等。135照相機使用35mm膠片（這種規(guī)格的底片是目前市面上最為普及的一種膠片產(chǎn)品），其拍攝的標準畫幅為24mmx36mm，一般每個膠卷根據(jù)規(guī)格不同可以拍照36張、24張或12張。 數(shù)碼單反相機的成像使用的光學傳感器一般有CCD、CMOS、SUPER CCD、Foveon X3等多個品種，存在這些不同產(chǎn)品的主要原因是不同品牌的數(shù)碼單反相機使用不同的技術(shù)，規(guī)格方面也分為APS-C、APS-S、全畫幅（24mmX36mm）、4/3等幾個不同畫面比例的畫幅系統(tǒng)。 進入鏡頭的光線首先被感光元件分為R（紅）、G（綠）、B（藍）3個顏色，然后通過設(shè)置在相機內(nèi)部的處理芯片的計算處理，被轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字文件格式，并被記錄在相機內(nèi)部的存儲結(jié)構(gòu)里。 照片的預覽回放 數(shù)碼單反相機的背部都安裝有一個彩色的液晶顯示屏（LCD），這個液晶顯示屏不僅可以回放剛剛拍攝的照片，而且也為相機的設(shè)置和菜單提供了一個顯示的空間。通過這個直觀的彩色顯示空間，影友們可以有效地進行功能設(shè)定，操作相機。五 數(shù)碼單反VS膠片單反成像方式 膠片單反相機是使用銀鹽膠片為感光材料的單反照相機。可分為35mm照相機（常稱為135照相機）、120照相機、110照相機、126照相機、中畫幅照相機和大畫幅照相機等。135照相機使用35mm膠片（這種規(guī)格底片是目前市面上最為普及的一種膠片產(chǎn)品），其拍攝的標準畫幅為24mm*36mm，一般每個膠卷根據(jù)規(guī)格不同可拍照36張、24張或12張。 數(shù)碼單反相機的成像使用的光學傳感器一般有CCD、CMOS、SUPER CCD、Foveon X3等多個品種，存在這些不同產(chǎn)品的主要原因是不同品牌的數(shù)碼單反相機使用不同的技術(shù)，規(guī)格方面也分為APSC、APSS、全畫幅（24mmX36mm）、4/3等幾個不同畫面比例的畫幅系統(tǒng)。 進入鏡頭的光線首先被感光元件分為R（紅）、G（綠）、B（藍）3個藍色，然后通過設(shè)置在相機內(nèi)部的處理芯片的計算處理，被轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字文件格式，并被記錄在相機內(nèi)部的存儲結(jié)構(gòu)里。 照片的預覽回放 數(shù)碼單反相機的背部都安裝有一個彩色的液晶顯示屏（LCD）,這個夜景顯示屏不進可以回放剛剛拍攝的照片，而且也為相機的設(shè)置和菜單提供了一個顯示的空間。通過這個直觀的彩色顯示空間，影友們可以有效地進行功能設(shè)定，操作相機。 雖然之前的高檔膠片相機也有相應的顯示數(shù)據(jù)的夜景窗口，但他們單色的配置顯然無法與當今數(shù)碼單反相機的23萬色、2.5英寸的LCD相提并論。 存儲介質(zhì)的不同傳統(tǒng)的膠片相機使用的存儲介質(zhì)是銀鹽膠片，這種存儲介質(zhì)依賴膠片傳統(tǒng)的物理特性，其存儲能力已經(jīng)經(jīng)過了時間的印證。現(xiàn)在經(jīng)?？梢钥吹降模险掌褂[中，那些珍貴的底片，在良好的保存條件下可以保存上百年的時間。 數(shù)碼單反相機使用的存儲介質(zhì)是存儲卡，最常見的種類有CF、SD、XD以及微型硬盤。這些使用硅結(jié)構(gòu)的存儲卡，有著體積小、重量輕、容量大、讀寫速度快、可重復寫入等特點，這些特點決定了數(shù)碼單反相機的使用成本要遠遠小于膠片產(chǎn)品。在照片保存方面，使用和計算機相機的存儲介質(zhì)，以數(shù)據(jù)文件的形式在計算機的硬盤或者數(shù)據(jù)光盤上存儲。六 感光元件終極解析感光元件就像是傳統(tǒng)攝影中的底片，它能夠?qū)⒐饩€轉(zhuǎn)換成電荷信號，承擔著生成影像的責任，而這一功能是通過電子元件的特性來實現(xiàn)的。 傳統(tǒng)底片是利用光線直接在銀鹽層上發(fā)生化學反應，將光線中的亮度和顏色記載在底片上。數(shù)碼相機則是經(jīng)過一定規(guī)律的運算，把感光元件采集的電荷信號轉(zhuǎn)換為可見的電子格式后保存在數(shù)碼相機的存儲器上，最后通過自帶的液晶顯示器顯示閱覽效果。 相比于傳統(tǒng)膠片單反相機使用的化學顯影凡是，這個過程實際上是純物理的過程，感光元件就是將光轉(zhuǎn)化為電荷信號的介質(zhì)?，F(xiàn)在的光學傳感器的性能相當優(yōu)秀，在很多指標上已經(jīng)可以和膠片的成像質(zhì)量相媲美，甚至更加出色。 CCD感光元件 CCD是Charger Coupled Device（電荷耦合器件圖像傳感器）的縮寫，1969年由美國的貝爾實驗室開發(fā)。CCD技術(shù)誕生初期不被重視，20世紀80年代后期逐漸成熟，20世紀90年代之后得到了迅猛發(fā)展，CCD的單位面積也呈現(xiàn)出小型化的趨勢。20世紀90年代后期，此項技術(shù)逐漸擁有了實用意義并出現(xiàn)在消費級數(shù)碼相機產(chǎn)品上。 CCD是由大量微小的光電二極管和譯碼尋址電路構(gòu)成的固態(tài)電子感光成像部件，通過光電二極管特有的排列方式進行排布組成，實際上是一種具有高感光度的半導體材料。 這種特殊的高感光度的半導體材料能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經(jīng)過壓縮后可由相機內(nèi)部的存儲介質(zhì)和各類存儲卡保存，因此可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給任何有存儲介質(zhì)的數(shù)碼類產(chǎn)品。使用這種方式保存的圖片更便于通過各種軟件進行處理以達到最好的效果。 CCD有其鮮明的特點，雖然感光方式復雜，但成像質(zhì)量較高，工藝簡單。相比傳統(tǒng)的膠片工藝，CCD的成像原理類似人的眼睛，使用電子元件代替人眼視網(wǎng)膜上負責光強度感應的桿細胞和負責色彩感應的錐細胞，最終形成可以由人眼識別的圖像。 CCD技術(shù)經(jīng)過近40年的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)達到非常成熟的階段。目前索尼、柯達、富士、夏普等廠商都在從事CCD的生產(chǎn)。 由于CCD感光元件采用單一的通道，因此光效率比較低，而且傳送電荷信號需要電壓的支持，因此耗電量大，但是單一的通道有利于在信號傳輸中減少電荷放大時產(chǎn)生的噪聲。 CMOS圖像傳感器 CMOS是感光元件行業(yè)的后來者，誕生于世紀年代。CMOS又可分為被動式像素傳感器與主動式像素傳感器。起初人們將CMOS用于計算機上的一種重要芯片，隨著科技的發(fā)展，CMOS逐漸發(fā)展為一種重要的感光元件，其芯片功能逐漸消失。CMOS的工作原理比CCD更為簡單，它利用由硅和褚兩種元素制作的半導體，通過自帶負電和正電的晶體管來實現(xiàn)基本功能，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流可被處理芯片記錄和解讀成影像。 C的工作原理與CCD工作原理的不同之處在于，CMOS的每個像素點都實現(xiàn)了一個放大器的功能，信號直接在最原始的時候轉(zhuǎn)換，更方便進行讀取。傳輸已經(jīng)經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號，就會使用更低的電壓，功耗也更低。不過，每個像素本身的放大器功能會增加畫面的噪點。 談到CMOS就不能不提到佳能。早期的CMOS產(chǎn)品使用在照相機上缺點是很明顯的，噪點的控制能力很有限，敏感度也不夠，和盛極一時的CCD相比劣勢明顯，因此在數(shù)碼相機誕生之初，CMOS沒能占據(jù)主流市場。佳能卻在這時反其道而行之，在其發(fā)布的準專業(yè)及后期的專業(yè)數(shù)碼單反產(chǎn)品中大量采用CMOS圖像傳感器。在佳能EOS數(shù)碼單反相機產(chǎn)品線上，無一例外地采用了CMOS傳感器。 CMOS更有利于對像素的集成，結(jié)構(gòu)相對簡單，在單一電源下就可以工作，而傳統(tǒng)的CCD必須使用個以上的電源。與同像素的CCD產(chǎn)品相比，CMOS耗電量更小。另一方面，CMOS采用標準工藝制成，可利用現(xiàn)有的半導體制造流水線，不需額外投資生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了制造成本，并且品質(zhì)可隨半導體技術(shù)的進步而提升，索尼在很短的時間內(nèi)研究制出超過萬像素的CMOS產(chǎn)品就是一個很好的證明。 CMOS CCD 感光元件未來發(fā)展趨勢 從目前的情況看，CMOS具有與生俱來的眾多優(yōu)勢。CMOS產(chǎn)品可以在不改造流水線的情況下進一步提高像素數(shù)，在工藝改良上也簡單一些。另外，CMOS像素數(shù)的提升與傳感器尺寸的增加是相輔相成的，所以更容易生成像素高、幅面大的感光元件產(chǎn)品，而使用大畫幅的感光元件已經(jīng)成為趨勢。 應該說CCD在成像素質(zhì)上先天的優(yōu)勢仍然存在，其真正的軟肋來自生產(chǎn)流水線環(huán)節(jié)。隨著CCD尺寸的增加，其生產(chǎn)線往往要進行相應的調(diào)整，這也是高像素CCD在國際市場上的售價居高不下的原因。 兩年前尼康的旗艦產(chǎn)品使用CMOS傳感器的那一天，就意味著CMOS的時代即將來臨，尤其是在感光元件尺寸較大的數(shù)碼單反領(lǐng)域，尼康D2X成為繼佳能、柯達之后第三款采用大尺寸CMOS傳感器的DSLR，速度之快讓人驚嘆。實際上為尼康提供CMOS的是索尼，一直在CCD技術(shù)方面保持領(lǐng)先的索尼居然在這么短的時間內(nèi)制造出專業(yè)級別的CMOS傳感器，其在影像傳感器方面的技術(shù)勢力不容低估。 索尼為尼康提供的專業(yè)級CMOS，打破了佳能在CMOS技術(shù)上的壁壘。可以預見，CMOS產(chǎn)品憑借索尼和佳能兩大廠商的技術(shù)支持，以及其本身低成本的特性，會令數(shù)碼相機單反產(chǎn)業(yè)進一步走向多元化的未來，CMOS將繼續(xù)在這一領(lǐng)域大放異彩。但就近幾年的情況來看，現(xiàn)在的CCD產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量過關(guān)且產(chǎn)能巨大，應該還將在市場上存在很長的時間。 獨樹一幟的Super CCD 富士的數(shù)碼單反相機S系列一直以顏色還原真實、成像素質(zhì)優(yōu)秀著稱。這全要歸功于富于獨樹一幟的Super CCD技術(shù)，經(jīng)過多代改良的Super CCD SR技術(shù)可以讓數(shù)碼相機擁有更大的動態(tài)范圍。SR是英文Super Dynamic Ranger的縮寫，這種技術(shù)可以在現(xiàn)有的傳統(tǒng)CCD技術(shù)的基礎(chǔ)上使動態(tài)密度有效提升，從而使照片具有完美的畫面細節(jié)。這種技術(shù)已經(jīng)接近了普通傳統(tǒng)負片膠卷的水平，也就是說即使在極其微弱的光照條件下，照片都可以在暗部保留大量的細節(jié)。七 光學取景器光學取景器可以分為旁軸式取景器和單鏡頭反光取景器兩種，所有的DSLR都采用單鏡頭反光取景器。光學取景器使用起來簡單方便，人們可以通過鏡頭朝向來觀察景物。 實際上，光學取景器的設(shè)