数码相机与传统相机光学系统的异同

1、数码相机与传统相机光学系统的异同从数码相机与传统胶片相机的成像原理图可知，数码相 机除了保留传统相机的成像镜头、光圈和快门外，一系列元 器件和电路代替感光胶片，光学成像系统依次由镜头、红外 线截止滤光片、光学低通滤波器、微透镜阵列、马赛克滤光 片等组成。传统相机与数码相机原理比较数码相机使用镜头可以分为三大类： 135 单反数码相机， 使用的镜头绝大部分是传统胶片相机的可换镜头； 135 轻便 数码相机，使用焦距较短的不可换镜头；6X 4.5cm以上画幅的传统银盐相机配用高像素数码后背后，成为中、大画幅数 码相机，镜头不变。一、受光芯片的尺寸与镜头焦距的关系传统135照相机画面对角线长 43.

2、3mm ,焦距4058mm 均可称为标准镜头；这些镜头的视场角约为4055。数码相机，由于受光芯片尺寸一般都比较小，所以镜头 焦距值比传统相机短。传统胶片相机的可换镜头使用在数码相机时，相当于焦距值应是L胶片（画面对角线长）* L受光芯片的对角线长与镜头名义焦距的乘积。 例如，尼康 D100 相机，使用尼康 50mm 标准镜头时，同样视场角，相当焦距 为（50mm X 43.3）+ 28.4=76.2mm，成为中焦镜头。轻便型数码相机，使用最多的是 2/3 英寸和 1/2 英寸的 受光芯片（画面尺寸） ，最近也出现 1/2.7 英寸和 1/1.8 英寸 等新规格的受光芯片。二、数码相机的像素尺

3、寸与镜头分辨率的要求数码相机的像质，基本上由受光芯片（图像传感器）的 像素数决定， 像素数高时， 像质一般较佳。 但像素数增大时， 制造成品率非常低，造价很昂贵。为了要推持低价格，只有 把像素数增大。当然，随着制造技术的不断进步，在受光芯 片难以大型化的情况下，唯有增加像素数。一方面要防止画面大型化，另一方面又要增加像素数， 必行之路显然是使像素尺寸变小。像素尺寸的微型化，会造 成受光芯片的感光灵敏度和动态范围下降等，为此希望摄影 光学系统（镜头）有尽可能高的分辨率。对于数码相机，大家关注点过于集中在 CCD 上，其实 CCD 的性能和镜头的性能同样重要， 如果镜头的分辨率达不 到分辨 CCD

4、 像素的要求， 再优良的 CCD 芯片一样不能完全 发挥作用。像素是 CCD 捕捉影像(光信号)的最小单位，镜头的 分辨率是传递和重现图像(影像)最小细节的本领，也就是 对两个很接近的点刚能加以辨别的能力。 例如， 像素尺寸 10 卩m (0.01mm)时，镜头应有的分辨率 R=1/ (2X 0.01) =50 线对/mm。使用较多轻便相机的 CCD芯片，像素尺寸约为 5 卩m-3.2卩m，由此推算，镜头分辨率应不低于100线对/mm-150 线对 / m m ，这是一个要求较高的指标。表1 列出像素尺寸与镜头应具有的分辨率关系估算值。受机身精度、对焦误差及“光学低通滤波器”等影响， 实际使用

5、时镜头分辨率还会下降。众所周知，大部分镜头的 视场边缘分辨率仅为中心的50-70，因此对镜头的分辨率要求还应提高，特别对于数码相机上使用的变焦镜头，必 然提出更高设计和加工要求。三、数码相机镜头的特殊性CCD 受光芯片， 由 2 层电极构成， 相邻像素间必须有分 离部分， 使入射光在受光部的利用率很低。 马赛克透镜阵列，使入射光聚合在像素上，以提高感光度。轻便型数码相机的 镜头设计时，要注意受光芯片的各像素上的微型透镜（单个 微型透镜）与其有重要关系。当单个微型透镜上的光线的入射角不适当时，不仅受光部的集光效果欠 佳，而且易产生逆效果。在轻便数码相机的镜头中，出射光 瞳远时（主光线与光轴几乎平

6、行） ，成像效果较佳。小型数码相机的镜头，管焦距很短，但希望有一定后截 距。在定焦镜头中，后截距（镜头的最后一面到像方焦点的 距离）长时，前方应使用凹透镜组，后方配置凸透镜组，成 为一个反远距（长工作距离）高斯型镜头。变焦镜头场合， 多数由24组变倍透镜组构成，同样要考虑出瞳远及后截 距长等要求。四、数码相机的景深及镜头光圈调节的局限性由于数码相机受光芯片的尺寸较小，因此同样视场角 时，焦距比传统胶片相机短。镜头焦距短，首先反映出拍摄 影像的景深增加，同时，随着光圈的缩小，景深会进一步加 大。 由此可见对焦精度可以放宽，不容易出现对焦误差引 起画面模糊，这是有利的方面。尽管景深增大对风景、留念

7、一类摄影是有利的，但对拍 摄艺术照片、需要虚化背景时，是很不利的，应引起使用者 t A, f .、,、的注意。数码相机镜头的光圈设置一般不能太小， F 数控制在 F8-F11 以下是合理的。由于像差影响，实际分辨率还会下降。因此，为了保证 镜头有150200线对/mm的分辨率，光圈限定在F8（或F11） 以内是必要的。目前大部分轻便相机的光圈设置F2（ F2.8）F8 （ F11）,上述是主要原因。另一原因，由于镜头焦距短， 受机械尺寸限制，光圈孔无法做得太小。五、原色组合滤光片与补色组合滤光片受光芯片 CCD 等是一种只能感受黑白颜色的传感器， 为了获得真实色彩信息，应在 CCD 的各个像素

8、前增加滤色 片。目前使用的滤色片有二类，一种是彩色还原效果较佳的 原色组合滤光片，由1个红（R）、2个绿（G）和1个蓝（B） 组成， 4 个一组，类似马赛克排列，覆盖在每一个像素上。同样，补色组合也有黄（R+B ），青（G+B）、品红（G+R ）、 和绿（G）组成。因为人眼对于绿色最敏感，故绿色占比例 较大。补色组合分辨率和感光性能比原色组合优良，但色彩 还原不及原色组合。六、红外截止滤光片的作用红外截止滤光片和光学低通滤波器是数码相机光学系 统中不可缺少的组成部分。感光胶片在紫外光谱区有一定透 光特性，为了获得优良的色彩再现性能，拍摄时使用天光镜 （1A ）等之类对紫外光有截止功能的滤光片是

9、完全必要的。 红外光谱区非常敏感，有极强的感光性能。为了得到优良的 色彩再现性能，使用红外截止滤光片是完全必要的。目前， 有两种滤光片，红外线吸收滤光片及反射红外线的二色性干 涉膜滤光片。二色性干涉滤光片是在玻璃基面上镀有经严格 计算的多层薄膜。红外线吸收滤光片尚存在不利的一面，对红外光和可见 光均会出现明显的吸收， 这是不希望发生的， 也是不利之处 另外，如果把红外吸收滤光片长期暴露在空气中，易出现白 浊，会对光学低通滤波器造成对抗和有害影响。七、光学低通滤波器（ LPF ）的效果在像素排列规则的 CCD 上，超过限定空间频率时，会 引起波纹和伪色彩，影响成像效果和色彩真实还原。为了提 高像

10、质，使用光学低通滤波器去除超过被摄物界限的高空间频率，是完全必要的。目前，数码相机上广泛使用的是利用 水晶的多次折射原理制成的光学低通滤波器。 （当然，使用 LPF 后，会稍稍牺牲图像分辨率） 。八、光学变焦与数码变焦在部分数码相机的变焦机构中，标有光学变焦和数码变 焦（电子变焦）两种方式。光学变焦与传统相机上使用的变 焦镜头相同，用改变焦距方式、改变拍摄的视场角和透视效 果。数码变焦功能实际上是将 CCD 芯片中心部分的影像信 号加以插值放大。从理论上或使用效果上，数码变焦把使用 范围局限于 CCD 芯片像素数的中心部分，由于像素数减少， 造成像质恶化，不能替代光学变焦，或者说二者有原理上的 区别。当然，数码变焦在浏览已拍摄画面或直接打印输出相 片时，会有一定的作用。九、液晶显示屏取景方式数码相机已普遍增设 TFT （低温多晶硅）彩色液晶显示 屏的取景方式。液晶显示屏规格有 1.5、1.8、2、2.5 英寸等， 轻便