数码相机工作原理

数码相机与传统相机的区别在于: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,而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。虽然由于胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机,数码在一定时间能也不能完全取代传统相机,但是,随着数字图像技术的进步,数码相机正在逐步超越传统相机,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。

数码相机原理
数码相机不用胶卷,而是使用传感器将光转化为电荷。

500_400-1271658058_87d0ed52.jpg (10.49 KB)

2010-4-20 03:18
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。

CCD/CMOS传感器是数码相机最重要的器件之一,也是数码相机根本区别于传统胶片相机的特征。CCD的全称是Charge Couple DevICe,译过来就是“光电荷耦合器件”,CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide SEMIconductor,有“互补金属氧化物半导体”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一个共通点,那就是都是用光敏二极管来作为光-电信号的转化元件。

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。
500_400-1271657730_e7ffcaa9.jpg (23.24 KB)

2010-4-20 03:18
光子撞击感光单元并释放电子

两类传感器各有优缺点:

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。
500_400-1271657849_fac0634a.jpg (13.56 KB)

2010-4-20 03:18
CCD传感器实体图

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。
500_400-1271658162_ae5ca4cc.jpg (45.03 KB)

2010-4-20 03:18
使用不同分辨率拍摄的图像大小

高端相机能够捕捉超过1200万像素的图像。某些专业相机支持超过1600万像素,大幅相机甚至达到2000万像素。相比较而言,惠普公司 (Hewlett Packard) 估计,35mm胶卷的质量大约为2000万像素。

相机成像原理

当不同颜色的光线透过某一种颜色滤光镜的总量是不是一样的。我们在一个光敏二极管上安装一个绿色滤镜时,穿过一定是绿色的光线,但它们的深浅可能因入射光线的颜色而有所不同。所以,我们用四个光敏二极管来获取某物体的反射光线。R单元可以获取红色的光线;B单元可以获取蓝色的光线;G单元可以获取绿色的光线。将四个单元的信号(两个G单元各取50%)进行处理就可以获得原始光线的颜色。

图片传不上来,详见:http://www.cntronics.com/bbs/viewthread.php?tid=23632