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标题: .知其然知其所以然数码相机工作原理解读 [打印本页]

作者: 淮源头人 时间: 2014-11-6 21:36
标题: .知其然知其所以然数码相机工作原理解读

来源:佳友在线责任编辑: 麦田中的小丑
在过去二十年里，消费电子产品的大多数重要技术突破实际上可归结于一项更大意义上的科技革命。仔细观察就会发现，CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的原理，即：将传统的模拟信息转变为数字信息。这一技术上的根本转变完全颠覆了我们处理图像和声音信息的方式，使许多事情成为可能。

数码相机的出现是这一转变最显著的例子——它与传统相机存在本质上的差异。数码相机的面世，使非专业摄影师也能拍出美丽的照片成为了一件轻而易举的事。用数码相机拍出来的照片也有着艳丽的色彩，清晰的画面，而且照片的后期处理更加方便和快捷。但数码相机是怎么工作的，以及这些工作原理和传统的胶片相机有何异同，了解的人就不是很多了。今天我们就按照片的形成过程，从镜头到感光元件再到处理器和存储系统，一步一步地来了解数码相机的工作原理。

特别提示：本文中所有图片均来源于网络。

数码相机的历史可以追溯到上个世纪四五十年代，电视就是在那个时候出现的。伴随着电视的推广，人们需要一种能够将正在转播的电视节目记录下来的设备。1951年宾·克罗司比实验室发明了录像机，这种新机器可以将电视转播中的电流脉冲记录到磁带上。到了1956年，录像机开始大量生产。同时，它被视为电子成像技术的诞生。

第二个里程碑式的事件发生在二十世纪六十年代的美国宇航局。在宇航员被派往月球之前，宇航局必须对月球表面进行勘测。然而工程师们发现，由探测器传送回来的模拟信号被夹杂在宇宙里其它的射线之中，显得十分微弱，地面上的接收器无法将信号转变成清晰的图像。于是工程师们不得不另想办法。1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。当工程师使用电脑将CCD得到的图像信息进行数字处理后，所有的干扰信息都被剔除了。后来“阿波罗”登月飞船上就安装有使用CCD的装置，这就是数码相机的原形。得益于这一技术，在“阿波罗”号登上月球的过程中，美国宇航局接收到的数字图像如水晶般清晰。

“阿波罗”号回传的数字图像

在这之后，数码图像技术发展得更快，主要归功于冷战期间的科技竞争。而这些技术也主要应用于军事领域，大多数的间谍卫星都使用了数码图像科技技术。

在数码相机发展史上，不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款电视摄像机中首次采用CCD，将其用作直接将光转化为数字信号的传感器。目前索尼每年生产的感光元件也占据了全球很大一部分的市场,这也正是现今索尼能够在感光元件市场上傲视群雄的一个原因,因为核心命脉掌握在自己手中。

在冷战结束之后，军备科技竞赛很快地转变为了市场科技争霸。1995年，以生产传统相机和拥有强大胶片生产能力的柯达公司向市场发布了其研制成熟的民用消费型数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场成型的开端。DC40使用了内置为4MB的内存，不能使用其它移动存储介质，其38万像素的CCD支持生成756×504的图像，兼容Windows 3.1和DOS。苹果公司的QuickTake 100也同时在市场上推出。当时两款相机都提供了对电脑的串口连接。

柯达DC40

从此之后，数码相机就如雨后春笋般不断由各相机厂商推出，感光元件的像素不断增加，创意功能不断翻新，拍摄的图像效果也越来越接近于传统相机了。回顾完了发展历史，让我们正式开始进入数码相机的内部世界来一探究竟。

作者: 淮源头人 时间: 2014-11-6 21:37

你是我的眼——镜头篇

人类用眼睛来感知色彩缤纷的世界，而照相机则是用镜头来摄取美丽的景物。人眼中客观存在的场景实际上是一种光学信息的表达，景物反射出不同亮度和光谱的光线以显示出不同的色彩。照相机就是要把某一瞬间的光线永久保存下来，传统照相机是把这些光线转化对应为胶片上化学药剂的变化，而这些胶片也只是半成品，还需进一步的化学反应才能显影，可见传统胶片照相机的拍摄过程完全是光信号与化学信号的转换过程。而数码相机不管其最终的存储介质是什么，其本质是把一组一定亮度和光谱的光线转化为一堆二进制数，然后保存在某种记录介质上，属于光信号与电信号的转换。然而不论是数码相机还是传统照相机，首先接收的都是景物的光学信息，所以，光学镜头是必不可少的第一组件，被摄景物必须经过光学镜头才能成像到达成像器件。因此，人们常说镜头是相机的眼睛。

镜头的作用是将光线聚集到感光元件上来。相比传统胶片相机来说，大部分数码相机的感光元件尺寸较小，而且外部的光线有时无法产生足够的强度来使感光器件获得足够的光源信息。镜头就将外部的目标物体反射回来的光线通过其特定的形状，汇聚折射到感光器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在自然课上学过的用一片凸透镜聚光来产生更多的光亮。

在通过镜头确认要拍摄的对象以后，我们把相机的镜头对准目标物体。这时，物镜或物镜组就会根据自动对焦系统的控制信号来调节它和感光器件的距离，使物体的像刚好落到感光元件上，这样才可以形成清晰的图像。而镜头的自动对焦系统的工作原理，就是我们要讨论的重点之一。

现今的数码相机自动对焦镜头从工作原理上说大多都采用了间接实测物距方式进行对焦。它是利用一些可以被利用的间接距离测量方式来获取物距，通过运算，伺服电路驱动调节焦距的微型马达，带动调焦镜片组进行轴向移动，来达到自动调节焦距的目的。经常被利用来进行间接距离测量的方式有：无源光学基线测距、有源超声波测距、有源主动红外测距以及现代的激光技术在测量领域的应用等。

无源光学基线测距：熟悉摄影的朋友都知道，这是一种在取景器里使用光学基线原理得到磨砂、裂像、菱锥等手段的焦距调节方式。磨砂颗粒最细腻时、景物目标在两半圆裂像环中完全吻合上、菱锥的晶体不再明显时就是被摄目标的物距调节到清晰了……这些应用技术都是可以通过光路传递给光电电路捕获到阴影面积发生的变化，经过一系列的函数分析计算后，进行调焦驱动。

有源超声波测距：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，使用发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，也就是物距，利用伺服电路驱动调节焦距的微型马达，达到自动调焦的目的。

有源主动红外测距以及现代激光技术测距：二者在原理上基本相似。这类方式在应用上目标精度极高，由此而来的高成本也是可想而知的。且体积一般都比较大，维护也相当困难，不过在高档摄影器材中已经有了一些使用这类技术简化版的产品出现。

对焦过程结束后，各位摄影师就该准备按下快门永久保存下令人感动的瞬间了。那么具体的物象是如何变成一系列的光电信号的呢？让我们接着说说感光元件那些事。

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作者: 淮源头人 时间: 2014-11-6 21:39
存在的力量——存储器篇

存储器一般是数码相机的外设部分，因为数码相机的内部一般只会安装很小容量的FLASH芯片，这对拍摄高分辨率的照片来说是远远不够的。一般的外设存储器有CF（Compact Flash）、SM（Smart Media）、MMC（Multi Media Card）、SDC（Secure Digital Card）、MSD（Memory Stick Duo）、IBM的微型硬盘等。但就一般而言，这些存储器除了IBM的产品以外，其他的都是采用闪存FLASH来作为存储部件的。我们就从FLASH的内部微观结构来看它是怎么保存数据的。

FLASH中绝缘栅MOS管的底层是一个晶体管的NP结，在这个NP结的上面有一个被场氧化物所包围的多晶硅浮空栅。这个浮空栅的“浮空”构成了MOS管的源极、漏极之间的导电沟。如果这个浮空栅上有足够的电荷存在而不用依赖电源，那么就可以使MOS管的源极、漏极导通，在断电的情况下也可以达到保存数据的目的。在MOS管的源极和栅极之间加一个正向的电压，使浮空栅上的电荷向源极扩散，那么源极、漏极不导通；如果在源极和栅极之间加一个正向的电压U-1，但同时也在源极和漏极之间加一个正向的电压U-2，而且U-2总是小于U-1，那么源极上的电荷就向栅极上扩散，使浮栅带上电荷，这样就可以使源极、漏极导通。因为浮栅是“浮”空的，没有放电回路，浮栅上的电荷可以在断电的情况下很长时间不向其他地方扩散，使源极和漏极保持“开/关”。

这样，控制器通过一定的接口和图形处理器连接。在接到写入命令以后，可以就控制某个MOS管的源极和栅极、源极和漏极电源的开或关，使其中的MOS管导通或断开，从而达到存储数据的目的。

编者结语：
通过本文，相信很多朋友已经大致了解了数码相机各部分的基本工作原理，达到了知其然也知其所以然的新境界。数码相机的平民化也让更多的人享受到了摄影的乐趣，科技的不断创新也在不停地改变着人们的生活。由此可见，科技并不只是高高在上的空中楼阁，也能成为帮助我们留下永恒瞬间的随身伙伴。

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