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数码相机发展史之一：几个名词解释 类别：原创 作者：蓝色火焰 时间：2005年02月07日12:16 |
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在介绍数码相机的发展史之前，我们先来了解几个关于相机的名词。 一、镜头 镜头使景物成倒象聚焦在胶片上。为使不同位置的被摄物体成象清晰，除镜头本身需要校正好象差外，还应使物距、象距保持共轭关系。为此，镜头应该能前后移动进行调焦，因此较好的照相机一般都应该具有调焦机构。 数码相机的镜头由多片镜片组成，材质则分为玻璃与塑料两类。如果数码相机镜头以玻璃为材料，很多用户及商家都说玻璃镜头透光率佳、投射图像更清晰。不过目前许多测试报告都显示，玻璃的透镜并不一定比塑料材料能带来更清晰的图像，同时玻璃镜头也可能增加相机重量。 我们来了解一下镜头和感光器件的摆设位置。如下图所示，从右至左该镜头组件依次由透镜、电子快门、透镜组1、透镜组2以及CCD组成。拍摄的影像就是沿着这条光路投射在CCD上成像的。组件中的焦距调节系统和快门系统是由透镜组1和电子快门构成的，二者是连接在一起。 在电机的带动下，透镜组1和电子快门可以前后移动，进行焦距调节，从而获得最清晰的图像，由电子快门控制曝光。多组透镜是完成光学成像的，而最后的CCD可以把光信号转换为电信号。     如果你在相机的英文规格书上看过“f =”，那么后面接的数字通常就是它的焦长，即焦距长度。如“f=8-24mm，38-115mm（相当于35mm传统相机）”，就是指这台相机的焦距长度为8-24mm，同时对角线的视角换算后相当于传统35mm相机的38-115mm焦长。一般而言，35mm相机的标准镜头焦长约是28-70mm，因此如果焦长高于70mm就代表支持望远效果，若是低于28mm就表示有广角拍摄能力。 照相机镜头的焦距是镜头的一个非常重要的指标。镜头焦距的长短决定了被摄物在成像介质（胶片或CCD等）上成像的大小，也就是相当于物和象的比例尺。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时，镜头焦距长的所成的象大，镜头焦距短的所成的象小。根据用途的不同，照相机镜头的焦距相差非常大，有短到几毫米，十几毫米的，也有长达几米的。较常见的有8mm，15mm，24mm，28mm，35mm，50mm，85mm，105mm，135mm，200mm，400mm，600mm，1200mm等，还有长达2500mm超长焦望远镜头。    关于数码变焦及光学变焦 要解释光学变焦和数码变焦，就要先了解一下“镜头焦距”的概念。“镜头焦距”是相机镜头最重要的特性之一，为了让传统摄影者很容易地了解消费级数位相机的镜头焦距之意义，我们常常将其转换成 135 相机的等值焦距。“镜头焦距”指的是平行的光线穿过镜片后，所汇集的焦点至镜片间之距离。 基本上，若是被摄体的位置不变，镜头的焦距与物体的放大率会呈现正比的关系。即： 放大率＝影像尺寸 / 被摄体尺寸 光学变焦 数码变焦 二、取景器 无论是何种相机，在拍摄照片的时候都需要通过取景器来进行构图，因此，取景器自然成为了数码相机必不可少的部件之一。取景器的主要作用就是构图，也就是确定画面的范围和布局。另外有有些取景器还能显示拍摄的参数以及预测景深等等，良好的取景器能让我们对于照片的最终效果有一个更直观的认识，方便我们拍出更完美的照片。 取景器可以分为光学取景器和电子取景器。我们先来看光学取景器，光学取景器，顾名思义就是通过光学的组件来完成取景的工作。取景器的结构型式很多，分类方法也各不相同。按照取景光轴与摄影光轴是否重合，可分为同轴式取景器和旁轴式取景器；按照所成象的虚实，可分为实象式取景器和虚象式取景器；按照实际结构，可分为框式取景器、牛顿式取景器、逆伽利略取景器、开普勒取景器、阿尔巴达取景器等。根据工作原理的不同，又分为旁轴式和单镜头反光同轴式两种。 在消费级数码相机中，旁轴式取景器最为常见，这种取景方式说白了很简单，就是在镜头上方开一个孔，前后装上玻璃，让拍摄者能通过这个孔看到要拍摄的人或物而已。虽然现在的旁轴式取景器并没有那么简单，还有变焦玻璃，对焦辅助线等功能，但是总体上结构是非常简单的。正是由于结构简单，所以成本也比较低，因此被大量的用于中低端的数码相机上。但是旁轴式取景器也有它的不足之处，因为不是通过镜头直接取景，所以拍摄者从取景器中看到的图像和最终照片上的图像会有一定程度的偏差，在拍摄近处物体时尤为明显，这不利于拍摄者对照片的构图和取景。 单镜头反光式的结构就复杂多了，因此制造成本也比较高，一般都是用于高端产品上，也就是通常所说的数码单反（DSLR）。单镜头反光式取景器是直接通过镜头取景，光线从镜头射入，通过一面反光镜，折射到上方的对焦屏成像，再折射到目镜中，这样拍摄者就能从观景框中看到所要拍摄的图像了，由于是直接通过镜头取景，解决了图像偏差的问题，真正做到“即见即所得”的效果。  以上说的都是一些传统的光学取景方式，我想大家区分数码相机和普通相机的重要依据之一就是看有没有LCD(Liquid Crystal Display)，也就是所谓的液晶屏幕。 当今数码相机的LCD从1英寸到2.5英寸不等，有些特殊设计的LCD还能各个角度旋转，但是无论大小和结构如何，它们的用途基本上一样，主要是回放照片和拍摄时取景（数码单反除外）。并且能在取景的同时显示各种拍摄的参数。相机的各项设置也能一目了然。十分方便实用。实际上LCD还能细分为好几种，如TN， STN，TFT，OLED等等，现在最常用的是TFT显示屏，KODAK的部分产品使用的是OLED，两者各有优点，难分伯仲。  除了LCD取景器之外，另外一种电子取景器就是EVF(Electronic Viewfinder)。其实，EVF说白了就是一块高分辨率，高像素的小LCD,一般是在0.5英寸左右，安装在相机的内部，外面由取景窗覆盖，避免了强光的干扰，小屏幕的省电效果也非常的明显。加上屈光度调节的功能以后，即使是近视也一样能方便的使用EVF取景器。更重要的是类似于传统相机的取景方式，使得一些用惯了传统相机的人能更快的适应，无疑也吸引了一大批想要更新换代的消费者。可以说是一种非常人性化的设计！  三、控制曝光的机构——快门和光圈 为了适应亮暗不同的拍摄对象，以期在感光元件上获得正确的感光量，必须控制曝光时间的长短和进入镜头光线的强弱。于是照相机必须设置快门以控制曝光时间的长短，并设置光圈通过光孔大小的调节来控制光量。 “光圈”是通过调节通光孔的大小来控制通光量的。“快门”是通过控制光照射到CCD上的时间长短来调节光量的。用数值表示光圈通光孔的大小，我们称之为“光圈值”。同样的，用数值表示快门打开的时间长短，我们称之为“快门速度”。 光圈值表示为F2.0、F5.6、F8的形式。数值越小，则通光量越大（通光量增加），数值越大，通光量越小（通光量减少）。。快门速度使用 1/60 秒、 1/250 秒、 1/4 秒的形式来表示的。时间越短通光量越少，时间越长通光量越大。 有两个术语一直用来分别表示光圈的变化。“开大”表示使光圈更大，使镜头有更大的通光孔径。这意味着准许更多的光线通过镜头照射到底片上。另一个术语“收缩”实现相反的过程，使光圈更小，减少通过镜头到达底片的光线数量。所以可以这样说：从f/8开大光圈到f/4，或从f/8收缩光圈到f/16。 快门速度和光圈大小一起配合可以控制有多少光线可以到达底片上，而且这两个因素必须要同时考虑。它们都是以挡位的方式工作的，而且是相互关联的，我们称之为“互易关系”。一旦可以确定正确的曝光需要的光线总量，快门速度和光圈大小中的任一个发生了改变，都可以很快的根据互易关系确定另一个应该设置的值。在照射在底片的光线总量不变的情况下，一挡快门速度的改变等同于相反方向上一挡光圈大小的变化。也就是说把快门和光圈中的一个减半，而把另一个加倍，通过镜头照射到底片的光线总量(也就是曝光量)是一样的。 光圈和快门就像是跷跷板。光圈值的变亮的同时快门速度要相应的提高，这样照射到CCD上光量才能相等。跷跷板达到水平状态时就是最适当的曝光值。 在光量不适当的情况下，比如照射到CCD上的光量过多时画面会显得比较白。当出现这种情况时，我们称之为“曝光过度”。相反的，当光量较少时，会出现画面过暗的情况。我们称之为曝光不足。 绝大部分的数码相机都配备有自动测量被拍摄物体的明暗并对其进行光圈和快门速度的调节的内置自动曝光功能。因此，平时（在没有特殊照明的情况下）拍摄照片的时候无需在意光圈和快门速度的调节也可享受轻松的拍摄过程。这个功能称为“程序自动曝光”、“光圈优先自动曝光（虹膜优先自动曝光）”、“快门速度优先自动曝光”摄影模式。 四、感光元件 老式的相机都采用胶卷作为感光元件，其拍出的照片也是用胶卷作为载体。数码相机的感光元件是用CCD或者CMOS。 CCD，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，然后通过模数转换器芯片将电信号转换成数字信号，数字信号经过压缩处理经USB接口传到电脑上就形成所采集的图像。CCD上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。 CMOS全称为Complementary Metal-Oxide Semiconductor，中文翻译为互补性氧化金属半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。 解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大， 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。 噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。 耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。 尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数码影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正噪点以及画质表现， 特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足见高速影像处理晶片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短；另外，大尺寸全片幅则以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数码机身为号召，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。 既然说到CCD，就要提一下CCD大小和像素的关系。不少朋友在看相机参数的时候只关注相机能输出的最大分辨率，却忽略了CCD的大小。而CCD面积的大小与输出照片最大分辨率效果是成正比的。现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。  付：旁轴相机和单反相机 先说说单反相机，全称单镜头反光照相机，英文简写SLR。之所以称为“单镜头反光”照相机，原因在于它的光路原理： 1.单镜头：就是相机前面的那个镜头（旁轴相机有两个镜头：一个用于取景，一个用于成像）。单反所看即所得，成像照片与取景器所看到的一致，几乎不存在成像差异。 2.反光：看光路A和B，光线在进入镜头后，先经过反光板（红色标识）一次反射，再经过上面五棱镜（红色标识）的二次反射后投射至取景器。反光板在不进行曝光时，一直关闭，光线无法到达CCD，所以DSLR无法通过LCD取景也无法录像。 DSLR和DC的快门结构差异 众所周知，传统相机使用的是机械快门，在快门打开后对胶片进行曝光，不曝光时则对胶片遮挡保护。 先说说DC的快门结构。 DC使用的是电子快门，原理在于控制CCD的开关电路来获得等效的曝光时间（电子快门的好处在于容易获得较高的快门速度）。同时DC存在一个机械快门，但这个机械快门并不像传统相机那样用于控制曝光时间，而是仅只是起到一个*遮挡（后面另做解释）的作用。 这里不得不提到DC的CCD成像过程。 在DC取景时，DC的机械快门一直是打开的。允许光线进入CCD，使得电信号传送至LCD，以供通过LCD取景。而在曝光前，机械快门则先关闭做一次*遮挡动作，让CCD记录一次暗电流（以使CCD上存储的信息得以复位），然后机械快门打开，进行CCD的正常曝光，机械快门再关闭，做信号处理，之后机械快门再打开继续由CCD取景。 相比较之下，DSLR使用的机械快门和电子快门结合的快门方式（不完全如此，如较早的Nikon D100完全使用机械快门，而较晚的D70则使用机械/电子快门结合方式（。DSLR在快门速度较慢时，使用机械快门；快门速度较高时，使用电子快门。DSLR的机械快门平时都是关闭的，只在曝光时打开。我们用下面的图解能简单的看出DSLR和DC曝光过程的差异。  DSLR较DC的优势在哪里？ 1.DSLR拥有庞大的镜头群，能够满足各种拍摄题材、各个层次摄影人士的不同需求。 能提供超广角（从鱼眼（到超级望远镜头所有焦段上的高质量圈镜头，这是DC所无法比拟的；即便DC拥有高倍变焦镜头，但别忘了变焦范围增大的同时，牺牲的是镜头成像质量和最大光圈，这也是许多摄友不愿意使用“一镜走天下”的原因。 2.DSLR大尺寸CCD带来了感光元件的高信噪比。 大尺寸CCD使得象素之间的干扰大为较低，为成像质量提供了有力保障。有些朋友认为：DSLR卖点就是大CCD，是厂家炒作的手段。而实际上呢，数码单反因为沿用了传统单反模式，如果单反采用CCD尺寸过小，将导致单反的镜头群将无法正常“适用”。因为如果采用小尺寸CCD，数码单反中将无法实现广角。所以，采用大尺寸CCD是单反结构所必需的，并不是厂家的炒作手段。
2005年02月07日12:16 于云南 云南小熊导购热线： |
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