相机的变焦原理

相机的变焦原理

110228 11021199 刘宇

一、前言

现在数码相机在大众中已经十分普及，而数码相机的光学变焦能力也成为相机的一个重要参数，产业发展到现在，10倍左右的光学变焦能力已经很是普通寻常。与光学变焦相对应的是数码变焦。而这两者有什么区别，光学变焦的物理光学原理是什么，我却对此一直知之甚少。因此，在完成了物理的光学演示实验后，我便由此引发了较为浓厚的兴趣，并以相机的变焦原理为主题自主开展了一些调查与学习。

二、光学变焦原理

要了解光学变焦的原理，首先要了解镜头成像的过程。在物理课上，我们都做过这样一个实验，燃烧的蜡烛通过放大镜会在白板上清晰地投影出来，同时随着放大镜的前后移动，燃烧的蜡烛在白板上影像的大小会发生变化。这既是相机成像的原理，也是光学变焦的原理所在。相机的光学变焦就是通过改变镜头中焦点的位置，来改变进入镜头光线的角度，从而使同一距离的被摄物体在感光元件上变得更大，或者让更远的物体能够更清晰得聚焦在感光元件上。

上面是相机成像简单的平面图，光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。上图中，红色三角形较长的直角边就是相机的焦距。当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。这就是光学变焦的原理。

我们平时接触的数码相机光学变焦的焦距，它实际上就是上图中焦距的长度。例如佳能A95的3倍光学变焦镜头，它的焦距为7.8-23.4mm，指的就是焦距长度能够变化的范围，实际上也就是被摄物体能够放大的范围。而等效焦长是将上述焦距换算为传统35mm相机的焦距，从而变得更加直观，这个问题就不在我们的讨论范围了。

三、数码变焦的原理

数码变焦在原理上理解起来就比较复杂一些。就现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。但是，这种单纯的放大事实上和图象处理软件中的局部放大是完

全一样的，完全没有任何使用价值。现在，许多厂商的数码相机内部已经含有图象演算软件，它可以在图象放大，细节损失的同时，将每个像素周边的像素特点进行分析，并用分析所得的数据在该像素周边增加像素，实际上就是所谓的“插补”成像。这在一定程度上可以减轻局部放大对图象质量的影像，但事实上，这种减轻往往是非常有限的。

我们将数码相机的成像结构进行简化可以获得上图。在数码变焦时，被摄物体通过镜头在感光元件上的投影成像的大小并没有改变。只是，相机内部软件通过对感光元件中央部分的像素进行截取，并且使用内置软件进行放大以及插补，从而达到将影像放大的效果。这样的过程就是我们在数码相机中常看到的数码变焦。