数码相机工作原理完整解析

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科技革命。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：将传统的模拟信息转变为数字信息。这一技术上的根本转变完全颠覆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。数码相机的面世，使非专业摄影师也能拍出美丽照片的几率大大提高。用数码相机拍出来的照片也有着艳丽的色彩，清晰的画面，而且照片的后期处理更加方便和快捷。但数码相机是怎么工作的，以及这些工作原理和传统的胶片相机有何异同，了解的人就不是很多了。今天我们就按数码照片的形成过程，从镜头、感光元件、处理器一直到存储系统，一步一步地来了解数码相机的工作原理。

　相机的数码化历程

　　数码相机的历史可以追溯到上个世纪四五十年代，电视就是在那个时候出现的。伴随着电视的推广，人们需要一种能够将正在转播的电视节目记录下来的设备。1951年宾·克罗司比实验室发明了录像机（VTR），这种新机器可以将电视转播中的电流脉冲记录到磁带上。到了1956年，录像机开始大量生产。同时，它被视为电子成像技术的诞生。

　　第二个里程碑式的事件发生在二十世纪六十年代的美国宇航局。在宇航员被派往月球之前，宇航局必须对月球表面进行勘测。然而工程师们发现，由探测器传送回来的模拟信号被夹杂在宇宙里其它的射线之中，显得十分微弱，地面上的接收器无法将信号转变成清晰的图像。于是工程师们不得不另想办法。

　　1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。当工程师使用电脑将CCD得到的图像信息进行数字处理后，所有的干扰信息都被剔除了。后来“阿波罗”登月飞船上就安装有使用CCD的装置，这就是数码相机的原形。得益于这一技术，在“阿波罗”号登上月球的过程中，美国宇航局接收到的数字图像如水晶般清晰。

“阿波罗”号回传的数字图像

　　在这之后，数码图像技术发展得更快，主要归功于冷战期间的科技竞争。而这些技术也主要应用于军事领域，大多数的间谍卫星都使用了数码图像技术。

　　在数码相机发展史上，不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款电视摄像机中首次采用CCD，将其用作直接将光转化为数字信号的传感器。目前索尼每年生产的感光元件也占据了全球很大一部分的市场，这也正是现今索尼能够在感光元件市场上傲视群雄的一个原因，因为核心命脉掌握在自己手中。

　　在冷战结束之后，军备科技竞赛很快地转变为了市场科技争霸。1995年，以生产传统相机和拥有强大胶片生产能力的柯达公司向市场发布了其研制成熟的民用消费型数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场成型的开端。DC40使用了内置为4MB的内存，不能使用其它移动存储介质，其38万像素的CCD支持生成756×504的图像，兼容Windows 3.1和DOS。苹果公司的QuickTake 100也同时在市场上推出。当时两款相机都提供了对电脑的串口连接。

柯达DC40

　　从此之后，数码相机就如雨后春笋般不断由各相机厂商推出，感光元件的像素不断增加，创意功能不断翻新，拍摄的图像效果也越来越接近并超越传统相机。

　　镜头

　　人类用眼睛来感知色彩缤纷的世界，而照相机则是用镜头来摄取美丽的景物。人眼中客观存在的场景实际上是一种光学信息的表达，景物反射出不同亮度和光谱的光线以显示出不同的色彩。照相机就是要把某一瞬间的光线永久保存下来，传统照相机是把这些光线转化对应为胶片上化学药剂的变化，而这些胶片也只是半成品，还需进一步的化学反应才能显影，可见传统胶片照相机的拍摄过程完全是光信号与化学信号的转换过程。

　而数码相机不管其最终的存储介质是什么，其本质是把一组一定亮度和光谱的光线转化为一堆二进制数，然后保存在某种记录介质上，属于光信号与电信号的转换。然而不论是数码相机还是传统照相机，首先接收的都是景物的光学信息，所以，光学镜头是必不可少的第一组件，被摄景物信息必须经过光学镜头才能成像到达成像器件。

镜头的作用是将外部的目标物体反射回来的光线通过其特定的形状，汇聚折射到感光器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在自然课上学过的用一片凸透镜聚光来产生更多的光亮。

　　在通过镜头确认要拍摄的对象以后，我们把相机的镜头对准目标物体。这时，物镜或物镜组就会根据自动对焦系统的控制信号来调节它和感光器件的距离，使物体的像刚好落到感光元件上，这样才可以形成清晰的图像。而镜头的自动对焦系统的工作原理，就是我们要讨论的重点之一。

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