数码单反相机的成像原理

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２期　影像技术　数码单反相机的成像原理　李定川　（宜宾影像器材公司，宜宾６４４０００）　摘要：本文阐述了传统单反照相机、数码单反照相机和单镜头电子取景数码照相机的结构、特性、工作原理和　发展历程，对比了其各自的功能和性价比，并指出了：由于单镜头电子取景数码照相机在拍摄时记录下的景物与取　景器上观察的景物完全是相同的，不存在任何时间差，而且相机结构相对较为紧凑、轻便，性价比较高，因此有可能　取代数码单反照相机成为今后高档数码照相机的发展方向。　关键词：单反照相机；数码单反照相机；单镜头电子取景数码照相机ＤＳＬＥ　中图分类号：ＴＢ８５２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－０２７０（２００７）０２－００２９－０５　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｌｅｎｓ　Ｒｅｆｌｅｘ　Ｃａｍｅｒａｓ　ＬＩ　Ｄｉｎｇ—。ｃｈｕａｎ　（Ｙｉｂｉｎ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｃｏ。，Ｙｉｂｉｎ　６４４０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｅｌｕｃｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｅｎｓ　ｒｅｆｌｅｘ　ｃａｍｅｒａｓ　ＳＬＲ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｅｎｓ　ｒｅｆｌｅｘ　ｃａｍｅｒａｓ　ＤＳＬＲ　ａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｅｎｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｖｉｅｗ　ｉｆｎｄｅｒ　ｃａｍｅｒａｓ　ＤＳＬＥ，ａｎｄ　ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｏ　ｐｒｉｃｅ　ｒａｔｉｏ。Ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ　ｔａｋｅｎ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＤＳＬＥ　ｃａｍｅｒａｓ　ｉｓ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｓｅｅｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｆｉｎｄｅｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｎｙ　ｔｉｍｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＤＳＬＥ　ｃａｍｅｒａｓ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐａｃｔ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔｅｒ，ｏｆｆｅｒｉｎｇ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｏ　ｐｒｉｃｅ　ｒａｔｉｏ，ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃａｍｅｒａｓ　ｗｉｌｌ　ｒｅｐｌａｃｅ　ＤＳＬＲ　ｃａｍｅｒａｓ　ａｎｄ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｅｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｍｅｒａｓ。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ　ｌｅｎｓ　ｒｅｆｌｅｘ　ｃａｍｅｒａ　ＳＬＲ，ｄｉｇｉｔｌａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｅｎｓ　ｒｅｆｌｅｘ　ｃａｍｅｒａ　ＤＳＬＲ，ｄｉｇｉｔｌａ　ｓｉｎｇｌｅ　１　ｅｎｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｖｉｅｗ　ｉｆｎｄｅｒ　ｃａｍｅｒａ　ＤＳＬＥ　摄影术在２０世纪迅速发展，它不仅成了人们记　１　序言　录社会变化，自然变迁的工具，由于通过照相机镜头　记录的影像，对实物进行了一定程度的加工和删节，　使之更凝重或简单、更朦胧或清晰、更诨浊或透彻、　可压缩或拉伸…，这样又派生成一门艺术，得到了更　大的发展和普及。今天，一个没有摄影术的世界是不　可想象的。摄影术的发展得益一个重要的工具——　照相机的发展，从技术上来说，单镜头反光相机使照　相机技术发展到了颠峰，如今“单镜头反光”技术又　进入了数码世界。但是，人类发展史证明，没有一个　技术是永远辉煌的技术，本文试图用笔者仅有的知　识，说明目前如日中天、捧者如云的单镜头反光数码　图１索尼数码单反相机　相机（ＤＳＬ１Ｌ），在数码时代将会走向没落，取代它的　收稿日期：２００６—０７—０６　２９　维普资讯 http://www.cqvip.com 影像技术　２００７年第２期　将是“单镜头电子取景数码相机（ＤＳＬＥ）”。同时也试　图说明，在“像素”、“动态范围”、“时滞”等问题解决　以后，人们会用小尺寸数码照相机得到目前用大画　幅胶片照相机才能得到的作品。　２走向辉煌的单镜头反光相机　１５８９年，意大利科学家贝特斯塔夫发现了小孑Ｌ　成像原理，三个世纪后的１８１６年，格拉斯发现了通过　化学感光原理的摄影术，此后达盖尔发明了银版摄　影术和冲洗照片的方法。从此，摄影术开始走向实　用，造成了一个天作之合的神话——大自然和人物　图２美能达数码单反相机　竞能摄魂录魄般地被记录在一个胶片、一张纸上，人　员、作家这些非专业摄影师用俗称“傻瓜”的相机拍　间美景和事物从此被记载、被传播、被认知。　摄获得。这见证了器材的进步，使人类前所未有地获　照相机出现后，由于需要对被摄物的方位、大小　得了弥补自己专业知识不足和技能不足的方法。　进行精确记录，因此制造了取景器。随后人们又发明　单镜头反光相机的快速发展鼓励了人们的使　了光学取景器，由于调焦的需要，光学取景器和成像　用，反过来又促进了它的发展，经过了多年的竞争，　镜头应同步联动，这样就出现了双镜头反光相机和　佳能、尼康、美能达等走在１３５单反相机前沿的企业　旁轴取景相机。　推出了庞大的镜头群，采用了当今最先进的工艺和　照相机，摄影术和光学技术在不断发展，可换镜　科技制造这些镜头。由于有了优秀的、庞大的、尤其　头相机的出现在摄影史上是具有里程碑的事件。但　是昂贵的镜头，在心理上和物质上都难于承受损失　从此人们也有了更多的“麻烦”，他们要让取景器和　这些镜头的压力下，单镜头反光相机有了巨大的后　各种镜头能够联动。对旁轴取景相机而言，取景器和　盾和支持，同时也促进其再发展，使用户不断深入使　不同镜头的联动是非常困难的技术。１９３１年到１９３６　用这些设备，并沉沦在这些设备中。　年，德国爱哈推出了俯视取景的单镜反光１２０和１３５　相机，使取景和成像镜头合二为一。１９４８年，东德蔡　３数码科技横扫千军　斯公司推出了一种新型相机，它采用了一系列光学　就在传统摄影术深深沉溺于自己君临天下的　器件，使从一只镜头进来的光线在不同的时间和空　风范和横扫千军的气势中的时候，遥远的天边响　间到达取景器和感光材料，从而最大限度地实现了　起了惊雷，数字摄影术在科学进步这个母亲的襁　摄影师的梦想，取景和成像终于最大程度的相似，他　褓中诞生，这个婴儿步履蹒跚的走向腥风血雨的　们把这种相机叫平视取景单镜头反光相机（ＳＬＲ）。　中土大地。　由于有了这些优点，单镜头反光相机以横扫千　在胶片技术的使用者和消费者纷纷向数码技　军的气势傲立于众相机之颠。到了上世纪８０年代，美　术不断发起质疑和攻击的时候，胶片生产的巨头　能达ＭＩＮＯＬＴＡ　７０００出现后，照相机自动化的基本　柯达和富士早已全身心地投入了新的数码感光材　问题均已解决。从此，普通人群可以用专业的手段观　料研制，终于，在１９７６年柯达推出全球第一台数码　测和拍摄照片。　相机。　在技能方面，每一个能掌握器材的摄影师都站　很多人漠视数码科技的力量，是他们忽略了　在同一起跑线上，能不能获得优秀的作品取决于你　电子和计算机技术至今遵守的一个理论，即摩尔　的综合修养，对文学、艺术、音乐、环境、军事……甚　定律。世界半导体技术的巨头ＩＮＴＥＲ公司的创始　至科学进步的认知。　人之一戈登・摩尔３７年前曾预言，半导体器件的核　１９７８年后，中国摄影家协会举行了多种摄影大　心技术一集成电路的密度每两年翻一番而价格下　奖赛，有很多届的金奖都被普通的旅游者、行政官　降一倍。在９０年代中期，ＣＣＤ才达１００多万像素；而　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２期　影像技术　到２００４年市售产品中，小于１３５幅面的ＣＣＤ已达　１亿像素；同理，像素较低的数码相机和理论像素超　过其数倍的胶片比较，在成像上后者并无优势（注　１）。在分辩率上，就视觉而言，在正常光线下８００万像　素的高档“消费类数码相机”的成像已超越１３５胶片　相机。（限于篇幅，笔者将在另外的文章中引经据典　和用图片对此说明）。　因此，在技术发展到一定时，小面积ＣＣＤ　１２８０万像素，１３５幅面ＣＭＯＳ更达到了１６７０万像素。　按摩尔定律推测，两年后小于１３５幅面的ＣＣＤ将达　２４００万像素，ＣＭＯＳ达３２００万像素，更何况是四年、　八年后呢？同时，ＣＣＤ的色彩深度目前已经可以做　到４８位，按胶片对颜色的感知比对，２４—３６位色彩　深度已足够。就“时滞”而言，Ｃａｎｏｎ　ｌｄｓ—ｍａ￣ＩＩ已　经达Ｎｏ．３秒的开机和５５毫秒的快门时滞（与ＥＯＳ　（ＣＭＯＳ）将达到大画幅胶片的成像水平；当然，大面积　１Ｖ相当）。在动态范围方面，目前的看法是如果单　ＣＣＤ（ＣＭＯＳ）有更好的质量，但是已超越了实用。　个像素面积太小，受到太多的光照，电荷充满后会　数码照片已和相机合二为一，只要你有足够的　溢出到相邻像素，产生高光溢出。根据视觉习惯，　精力，你可以每天拍摄一万张照片。这好像一个天方　目前１３５面积ＣＣＤ（ＣＭＯＳ）的动态范围已与胶片　夜谭，但你的确已经触摸和使用了这个神奇的科技。　接近。而且，人类对已知材料的灵活运用是惊人　尽管胶片的偏激卫道士喋喋不休地数落着数码相机　的，在１３５画幅面积以下，富士公司使用了Ｓｕｐｅｒ　的缺陷，但胶片巨头柯达和富士不断减产、裁员、停　厂并在数码领域另攀高枝，胶片、数码两者前途显而　易见。　数码技术正飞快地发展，不久它将把胶片挤在　角落，但胶片仍将在特殊领域和环境中继续发扬光　大，与机械相机成为长期绝配。　数码相机的成功正颠覆着传统摄影术的理念，　各种传统技术纷纷移植数码技术的精髓，这些技术　的移植主要是为了解决拥有传统的昂贵的照相设备　的用户，这样，出现了诸如数码后背之类产品，但终　究是权宜之计。　图３佳能数码单反相机　ＣＣＤ　ＳＲ技术将ＣＣＤ的动态范围扩展到接近普通　４没落的皇族一单镜头反光数码相机　负片水平，可见就ＣＣＤ（ＣＭＯＳ）现状而言，对它的　步人数码领域后，凭借大量传统使用者和原来　创新运用也会成倍地提高性能，何况将来。　昂贵镜头拥有者的支持，拥有单反技术的厂家也拼　目前，按照测试，在人像摄影中，由于胶片和数　命推波助澜，单镜头反光数码相机把传统单反的霸　码两种摄影系统的模量传递特性不同，数码相机仅　气带进了数码领域，并自称为高档相机、专业相机。　以１０００万高质量像素的的清晰度就胜过６ｘ５底片的　附图４是数码单反成像原理。　器　ｌ五棱镜　景器　反　入　入　阡　线Ｌ！！！　＿＿－　ｉ　单镜头反光相机取景示意图　单镜头反光相机曝光示意图　３１　维普资讯 http://www.cqvip.com 影像技术　２００７年第２期　器　单镜头反光数码相机取景示意图　单镜头反光数码相机曝光示意图　Ｄ屏　Ｄ屏　电子取景数码相机取景示意图　电子取景数码相机曝光示意图　图４单镜头反光数码相机成像原理示意图　由图可见，数码单反的取景、测光和传统单反　会由ＣＣＤ感知，而反映在电子取景器和ＬＣＤ显示　一脉相承，透过光学取景器看到的景物和曝光在　屏中，按下快门后也是这个ＣＣＤ将先前看到的景　ＣＣＤ上的影像常常是有出入的，由于反光镜抬起　物忠实地放在存储器上。这个令人愉悦的过程满　前ＣＣＤ不受光，因此不能预览影象、不能记录活　足了人类从摄影术诞生后即产生的幻想，获得一　动影象。如果取景器无人遮挡，从取景器反射下去　张看到的和得到的、是基本相同的而不是相似的　的光线也能干扰测光。再者，在安静环境和特殊环　影像。　境按下快门时，单镜头反光相机不可割舍的反光　换句话说，电子取景这个技术的出现划时代　镜会抬起，产生了振动，产生了声响。单镜头反光　地使人们通过调节曝光组合，能在复杂光线中得　相机靠五棱镜折射取景，这在当时是一项很先进　到和看到与实景相同的曝光后的预览影象；而数　的技术，但同时大大增加了制造难度、成本、体积　码单反相机在曝光前用自然景象，曝光后用经处　并使保养困难。　理后的影象让你观看，人眼与ＣＣＤ对光线的感知　从实际观测可知，数码单反只是在快门按下　不相同，并且幅面大小也有差异。这是电子取景数　后，才是数码相机。所以数码单反相机更确切的　码相机和数码单反相机的重要区别之一；同时电　称谓似乎应该是“单镜头反光数码后背相机”。附　子取景数码相机的取景屏可以多角度翻转，便于　图４是ＬＣＤ取景的普通数码相机的成像原理，从　各种情况的取景，取代了单镜头反光相机的多种　图可见，在普通数码相机电子取景器（ＥＶＦ）或　昂贵、复杂的取景器，这是电子取景数码相机和数　ＬＣＤ显示屏上看到的景物，是由ＣＣＤ感应到的光　码单反相机的重要区别之二。　线经相机处理后，放在电子取景器或ＬＣＤ显示屏　佳能ＰＲＯ１、索尼８２８、索尼Ｒ１采用了以上技　上的，任何手动调节影响到曝光组合的变化，都　术，在手动档关闭了环境亮度补偿，调节曝光组合　３２　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２期　影像技术　会由ＣＣＤ感知而反映在电子取景器和ＬＣＤ显示　屏中，可以预览曝光后的影象。当然，数码单反相　机的取景器并非一无是处，光学取景器观察到的　景物在现阶段较电子取景器更清晰，但后者正迎　头赶上，尤其是大尺寸的ＬＣＤ显示屏和高精度　ＥＶＦ已经出现在数码相机上，不论取景和预览都　更清楚、方便。　５新的王者一单镜头电子取景数码相机　就数码相机的称谓，笔者认为把Ｃａｎｏｎ　ｐｒｏｉ、　Ｎｉｋｏｎ　８８００这样的数码相机叫做“消费类数码相　机”和“准单反数码相机”是非常含糊、定义错误和　可笑的。正确的称呼应比照历史上对旁轴取景相　机、双镜头反光相机、单镜头反光相机的命名，我　认为应称其为“单镜头电子取景数码相机　（ＤＳＬＥ）”。　就佳能而言，单镜头电子取景数码相机ＰＲＯ　１对数码单反相机ＥＯＳ　３００Ｄ的挤压是明显的，同　时也分流了ＥＯＳ　３５０Ｄ、ＥＯＳ　２０Ｄ的用户。根据调　查，一个没有库存镜头的普通消费者更愿意选择　ＰＲＯ　１　图５佳能ＥｏＳ　３５０Ｄ型数码单反相机　笔者对ＰＲＯ　１和ＥＯＳ　３５０Ｄ作了实用比较，　ＰＲＯ　１拥有佳能引以为傲的Ｌ镜头，变焦范围２８—　２００，镜头使用了超声波马达对焦（ＵＳＭ），它包括　了一片超低色散镜片和一片天然莹石镜片，可以　很好地控制色散。另外它还加入了两片非球面镜　片用于控制像差。莹石具有低色散的特性，但是由　于获取加工不易，因此价格高昂。　Ｃａｎｏｎ　ｐｒｏ１移植了佳能公司在传统相机和数　码相机领域的众多优秀成果，是难得出现的集大　成者。ＰＲＯ　１成像非常优秀，如果用２２０ＤＰＩ的印　刷精度和４２０ｘ２９７毫米（Ａ３）幅面，可以输出色彩　丰富、动态优良、锐度颇高的精美的照片。笔者另　有几只传统的佳能Ｌ镜头，购价均在一万元以上，　这些Ｌ镜头有些还不含有萤石镜片。所以仅仅　ＰＲＯ　１拥有的Ｌ镜头的价值，就足够换取一套ＥＯＳ　３５０Ｄ套机或ＥＯＳ　２０Ｄ机身。ＰＲＯ　１何以如此贱　价，是因为ＳＯＮＹ推出了拥有蔡斯镜头的售价仅　数千元的８２８，可见竞争对消费者的好处。所以拥　有传统相机生产技术的厂商更愿意把镜头和机身　分开卖，而数码单反相机正是可以分开卖的商品。　ＰＲＯ　１的缺点是时滞稍大。　反观数码单反相机ＥＯＳ　３５０Ｄ，虽然有￣ｈｖＲＯ　１大得多的图象传感器，但随带的镜头仅是１８—５５　（２８—８８）的普通镜头，套机的成像比ＰＲＯ　１有一　定差距。如果换用价格１００００元的１７—３５Ｌ镜头（换　算在ＥＯＳ　３５０Ｄ上为２７．２—５６），在相同焦距时对　同一远景拍摄，放大到Ａ４幅面时，两者输出的照　片相似，对比高光和暗部，大ＣＭＯＳ的优点不明　显。但这时ＥＯＳ　３５０Ｄ＋１７—３５Ｌ已高达１６０００元，还　需要再添置３５—２００焦段的镜头才能与ＰＲＯ　１相　当（估计价格已近３万元）。同时，ＥＯＳ　３５０Ｄ不能在　ＬＣＤ上预览取景，在取景器中观察到的景物和最　终成像，受测光影响有差异，在复杂光线如早晨和　黄昏时更甚。为了正确曝光，需要回放影像不断手　动调整曝光组合，或需要有经验的摄影师作曝光　补偿。同时不能俯仰取景，但时滞较小。　经过我们比较可知，如果把先进技术和材料　（如１６７０万像素的全尺寸ＣＣＤ或ＣＭＯＳ）用在象　ＰＲＯ　１这样的单镜头电子取景数码相机上，可以　达到同级数码单反相机（ＥＯＳ　１　Ｄｓ　ＭＡＲＫⅡ）的　成像水平。并且，只要加上一个卡口，ＰＲＯ　１就可　以更换镜头，这对佳能这样的厂商是易如反掌的。　而即便这样，其价格也会远较ＥＯＳ　１　Ｄｓ　ＭＡＲＫⅡ　低，体积、重量也会远较ＥＯＳ　１　Ｄｓ　ＭＡＲＫⅡ小。反　之则不可，如果把先进的电子取景技术移植到　Ｃａｎｏｎ　ＥＯＳ　１　Ｄｓ　ＭＡＲＫⅡ，它就变成了“ＰＲＯ　１”。　３３