浅谈数码相机与工作原理.doc

发倾wa的工作原理丰满区教y而曲缔校刘洋数码相机是光、机、电一•体化的产品，简称光电模组，它集成了影像信息 的转换、存储、传输等部件，貝有数字化存取模式光线通过镜头或者镜头组 进入相机，通过成像元件转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在 存储设备中数码相机的成像元件是CCD或者CMOS,该成像元件的特点是光线 通过吋，能根据光线的不同转化为电子信号本文从光学理论出发，阐述了光学成像的原理、像差理论、孔径光阑的作用、 相对孔径的概念、影响像的亮度和照度的因素；研究了数码相机的基木结构和工 作原理一、数码照相机的基本结构及光学原理光线通过镜头或者镜头组把被摄景物成像在焦点位置上成像元件将光学影 像转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在存储设备中1照相机的基本结构照相机的种类很多，但其工作原理和基木结构都是一样的照相机最基木的 组成部分有：（1） 机身：机身为一坚固骨架，用以支撑照相机各个部件2） 镜头：镜头由光学系统（镜片）、光圈和镜筒等组成，其作用就是使景 物成像，并通过光圈控制相面照度3） 取景器：取景器一般通过一组透镜或照相机物镜木身显示所要拍摄的 景物，以便摄影者观察、构图。

4） 快门：快门是一种可动的遮光屏，只在拍摄时，按动快门的一瞬间， 才得以开启，使光线射至在感光片上它是用来控制曝光吋间长短的5） 存储卡：数码相机将图像信号转换为数据文件保存在磁介质设备或者 光记录介质上数码相机除了保留传统相机的取景、曝光、快门和自拍定时器等装置外，还 增加了液晶显示器数码相机的功能选择大多在液晶显示器上以菜单形式展示2相机的光学原理镜头是一部和机的灵魂，无论是机械相机还是数码相机，镜头都是最不可忽 视的要素之一，它的好坏直接影响到拍摄成像的质量同吋镜头也是划分相机种 类和档次的一个最为重要的标准2・1凸透镜的成像与近轴物近轴光线成像效果照相机镜头利用的就是凸透镜的成像规律镜头就是一个凸透镜，要照的景 物就是物体，照射在物体上的光经过漫反射通过凸透镜将物体的像成在最后的感 光位置它在曝光后，物体的像就被存储起来至于物距、像距的关系与凸透镜的成像规律完全一样物体靠近时，像越来 越远，越来越大，最后再同侧成虚像物距增大，像距减小，像变小；物距减小, 像距增大，像变大物距与焦距的关系：物距大于二倍焦距.像距与焦距的关系: 像距小于二倍焦距大于一倍焦距.近轴条件下凸透镜成像公式，凸透镜是由两个曲率半径分别为八和d的折射 球面组成的，透镜的厚度为d,折射率为"，透镜两侧的折射率分别记作从和"2。

若在主轴上有一点光源P,发出的一条光线PA经过透镜折射后，交与主轴"点,图1薄透镜主屏面内的光线OP = —s, OP = s', PA = /, PfAf = I： AM = A'N = h任意光线〃 “厂的光程就可表示为△paap =叩 + n(d - OM - O'N) + n2lf当A点在透镜上移动时，G和心是常量，力则是位置变量，并考虑到近轴条件下 的近似几何关系根据费马原理，7ow h2（一叨，根据费马原理，d\PAA.P. _Q,即得dhn2 n - nA n2-n = 1— 这便是凸透镜的物象公式如果利用物方焦距和像方焦距ff = lim$‘ = n2\〃 * n2 -n2丿就可以得到透镜的高斯公式厶厶1因为透镜很薄，两个顶点可以看成是重合在一点若透镜两边的折射率相同， 则通过点的光线都不改变方向，这样的点称为透镜的光心当光线口左向右传播时，实物物距总是负的，虚物物距却是正的但无论是 实物还是虚物，"＞0表示成实像，昇＜表示成虚像若光线自右向左传播，按照规定的符号法则，高斯公式、焦距公式仍然适用但此时实物物距应取正值， 虚物物距应取负值，表示成实像，” >0表示成虚像。

照相机对光学仪器成像的要求是使目的物获得完善的像在最简单的情况 中，物是平面的，且垂直于光学系统的主轴完善的像要求遵循下列几个条件:（1）物面上每一个发光点应该成一个清晰的像点；（2）所有的像点都必须位于 同一个平面上，这个平面也必须垂直于光学系统的主轴；（3）各像点的横向放大 率都必须是常数；（4）像的各部分应与物冇相同的彩色破坏条件（1） （2）,会 减弱像的清晰度；破坏了条件（2） （3）,会使像变形；破坏了条件（4）,会使像 出现不正确的色彩，也使像模糊所有这些偏离理想成像的现象，统称为像差2 2光圈光圈又称孔径光阑，是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光 量的装置，它通常是在镜头内是镜头中的重要机械装置，它的作用是通过改变 光学镜头的有效孔径，控制光线通过镜头的能力，从而使感光元件或胶片得到准 确的曝光，并且能够控制景深，或调整镜头的成像品质孔径光阑都是位于镜头 内部，通常出多片口J活动的金属叶片（称为光阑叶片）组成，可以进行无级数的调 整光圈机构可以由机械或者电动、电磁装置驱动，也可以手动调节图2光圈大小示意图照相机即可拍摄近物的像，又可拍摄远物的像，但聚光木领不同。

大小可调 节的可变光阑装在适当的位置，不论其大小怎样，光圈总是作为有效光阑整个 物镜有几个透镜组成，光圈装置在中间为简单起见，可认为镜头而后部分是对 称的因而入射光瞠和出射光瞠可以认为是大小相等的，即儿"心'又因为 物镜的物方介质都是空气，即〃=於=1,像的照度为厂八I - 0丿用照相机拍摄远物的像时，可近似认为卩上式变为而拍摄近物吋，例如像和物体的大小几乎一样，即d ） 2\ J 7即在―与〃/厂都相同的条件下，近物像的照度比远物的照度小4倍照相底片的曝光时间是由感光膜的灵敏度和像的照度决定的感光膜灵敏度 相同时，照度越强，曝光时间越短所以在同样条件下拍摄远物和近物应该用不 同的光圈照相机的聚光木领通常不用相对孔径而用它的倒数厂/〃来表示，称 为F数，也叫光圈数这里值得一提的是光圈F值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且 上一级的进光量则是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6,进光量便多一 倍，我们也说光圈开大了一级多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很 小，F8时光圈的物理孔径已经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现彖， 影响成像所以一般非专业数码相机的最小光圈都在F8至F11,而专业型数码相 机感光器件面积人，镜头距感光器件距离远，光圈值口J以很小。

对于消费型数码 相机而言，光圈F值常常介于F2. 8 - F16此外许多数码相机在调整光圈时， 可以做1/3级的调整由丁•不同镜头的光阑位置不同，由此焦距不同，入射光瞠 直径也不相同，用孔径来描述镜头的通光能力，无法实现不同镜头的比较为了 方便在实际摄影中计算曝光量和用统一的标准来衡量不同镜头孔径光阑的实际 作用，采用了 “相对孔径”的概念相对孔径二［镜头焦距］/ ［入射光瞳直径］二"d通常表示相对孔径的方法是在相对孔径前而加入［f/］或F,比如f/l・4、f/2、 f/2.8等，f/或F后面的数值越小，透光量越大；数字越大，透光量越小由于 采用了这样的标准化方式，对于不同的镜头，在快门速度不变的情况下，只要f 数值相同，曝光量就是相同的镜头的调节主要是指焦距和光圈的调节大多数 镜头都标有距离指示，告诉你镜头调焦的远近、景深范围的大小，以及清晰聚焦 区威的宽窄影响景深的三个因素是光圈，被摄体到照相机的距离，以及镜头的焦距焦 距最短的镜头对准无限远聚焦吋，其最小的有效光圈能产生最大景深也就是说 光圈越人，焦距越长，被摄体距离越近，景深就越小光圈的调整是控制胶片曝 光的一个重要因素最佳光圈的选择有赖于景物所需的景深多少和快门速度的调 节。

快速快门能凝固被摄体的动作，避免照相机抖动影响景彖质量，而慢速快门 能产生模糊影像二、结论综上所述，数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品它集成了影像信 息的转换、存储和传输等部件利用透镜得到实像，调节焦距和光圈來控制像面 的照度在感光度ISO相同时，照度越强，曝光时间越短利用半按快门及启动红外辅助对焦系统等方法调焦数码相机的感光器件是使用了 CCD或者CMOS, —般数码相机的CCD的感光度 （或对光线的灵敏度）已经等效转换为传统胶卷的感光度值，可以通过调整TSO 值来调节感光度；景深的长短主要由光圈、镜头焦距及拍摄距离來控制的，在需 要控制景深的拍摄场合中，可以通过调整这些要素达到理想的拍摄效果参考文献：[1] 王慧,郭根生•《数字与缩微影像》[J],解析数码相机的快门，2010(1) 41-44[2] 姚启钧.《光学教程》[M],高等教育出版社，200&6[3] 肖伟奇•影响数码相机成像的几个因素,2001, 58-61[4] 周古月.《中国科技博览》[J],数码相机的景深问题解析，2009 (29)[5] 肖胜丽，郑好旺，陈利菊.《物理通报》[J],数码相机的物理分析,2006 (8)。