数码相机工作原理

数码相机工作原理

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突破。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（用起伏波表示）转变为数

字信息（用1和0，或比特表示）。这一技术上的根本转

变完全改变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。传统相机完全依赖化学和机械工

艺——你甚至不需要用电来操作相机。而所有数码相机都

内置有计算机，并且都以电子形式记录图像。 这种新方法已经获得巨大成功。由于目前胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机，因此数码相机还没有完全取代传统相机。但是，随着数字图像技术的进步，数码相机已经迅速超越传统相机，将变得更加普及。

在这篇文章中，我们将一起了解这类神奇数码装置的具体工作原理。

了解基本原理

假设你想拍一张照片并通过电子邮件发送给朋友。要实现这

一点，你必须借助计算机能够识别的语言来表示这个图像，

即比特和字节。数字图像本质上仅仅是由1和0组成的长字

串，1和0可用来表示微小的色点（或像素），所有色点（或像素）共同组成图像。（有关数据的取样及数字化表示方面

的信息，请参见对声波数字化进行的说明。光波数字化的原

理与此类似。）

如果你希望将一张照片转变成数字形式，可以采用两种方法：

∙ 第一种方法是先使用传统胶卷相机拍摄一张照片，然后通过化学方式处理胶卷，并将其打印在相纸上，然后使用数字扫描仪对打印照片进行取样（将光图记录为一系列的像素值）。

∙ 第二种方法是可以直接对拍摄对象所反射的原始光进行采样，直接将光图分解为一系列像素值。换句话说，你可以使用数码相机。

从最根本来说，这正是数码相机要实现的功能。数码相机也和传统相机一样，包含一系列镜片，使光线聚焦、景物成像。但是，数码相机不是使光线聚焦在胶卷上，而是聚焦在能够借助电子形式记录光的半导体装置中，然后通过计算机将这种电子信息分解为数字数据。数码相机正是因为这一过程而变得好玩和有趣。

尼康数码相机

数码相机工作原理

在以下几个部分，我们将一起了解数码相机是如何实现这些功能的。

无胶卷相机

数码相机不用胶卷，而是使用传感器将

光转化为电荷。

大多数数码相机所使用的图像传感器是电荷耦合装置

（CCD ）。而有些数码相机使用互补金属氧化物半导体

（CMOS ）技术。CCD 和CMOS 图像传感器都能够将光转化为

电子。如果你已经阅读了太阳能电池工作原理，你就会了

解完成这种转化的相关技术。理解这类传感器的一种简便

方法就是想象存在由几千或几百万个微小太阳能电池组

成的二维矩阵。

传感器将光转化为电子后，读取图像中每个“电池”的值

（累积电荷）。两类主要传感器之间存在的差异就体现在

这个环节： ∙ CCD 将电荷传送到芯片上并在矩阵的某个角落读取电荷。接着由模数转换器（ADC ）

测量每个感光单元的电荷数量并将测量结果转换为二进制形式，从而将每一个像

素的值转换为二进制数字形式的值。

∙ CMOS 装置则在每一个像素中使用几个晶体管，并借助更多传统的电路将电荷放大并

移动。由于CMOS 信号是数字信号，因此无需使用ADC 。

两类传感器各有优缺点：

CMOS 图像传感器

∙ CCD 传感器形成的图像质量高、噪声低。CMOS 传

感器通常更容易受到噪声的影响。 ∙ 由于CMOS 传感器中的每一个像素旁边都存在多个

晶体管，因此CMOS 芯片的感光度更低。许多光子没有撞击到光敏二极管，而是撞击到这些晶体管上。

∙ CMOS 通常消耗很少的能量。而CCD 则不同，其使

用的工序耗能很大。CCD 消耗的能量是同等CMOS

传感器的100倍。

∙ CCD 传感器投入量产的时间更长，因此更加成熟。

这类传感器具有更高的像素质量和数量。 虽然两类传感器存在许多差异，但它们在相机中的作用是相同的，都是将光转化为电。如果只是为了了解数码相机的工作原理，可以把它们看作是几乎相同的装置。

分辨率

相机能够捕捉到的细节度称为分辨率，用像素来衡量。相机的像素越多，能够拍摄的细节就越多，照片也就可以越大而不变得模糊或产生“颗粒”。

常见的几种分辨率包括：

∙ 256x256：

在非常廉价的相机中可以找到，由于分辨率太低，画质几乎总会无法让人接受。总像素为65000。

∙ 640x480：这是大多数真正意义上的相机所具有的起始分辨率，是通过电子邮件发送

或在网站发布照片的理想选择。

∙ 1216x912：图像大小达到百万像素（总像素为1109000），可用来打印照片。

∙ 1600x1200：总像素接近200万，属于“高分辨率”。你可以用大约10 x 13厘米的

相纸打印用该分辨率拍摄的照片，其质量和照相馆拍出来的不相上下。

∙ 2240x1680：在400万像素相机中可以找到这种分辨率，该分辨率允许打印更大的照

片，能够获取高质量打印效果的最大图像尺寸大约是41 x 51厘米。

∙ 4064x2704：这是目前业界较高技术水平的1110万像素数码相机在拍照时使用的分

辨率。如果使用这种分辨率，你可以打印的照片尺寸大约是34 x 23厘米，而画

质不会出现任何失真。

DALSA 供图 CCD 传感器