最新11_数码单反相机的成像原理

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1、数码单反相机的成像原理通篇都是左对齐，很不规范，注意排版通篇没有页码天津大学精仪学院 天津市 300072摘要数码单反相机是一种以数码方式记录成像的照相机，属于数码静态相机与单反相机的交集。用其拍摄出来的照片，无论是在清晰度还是在照片质量上都是一般相机不可比拟的。这些都是单反技术成就了数码单反相机的高性能。数码单反相机在我们工作和生活中的应用越来越广泛。本文主要介绍了数码单反相机的结构、特性、发展历程、成像原理及各种像差的分析和矫正。数码单反相机镜头在相机成像过程中总起到了关键性的作用，通过对传统相机和数码单反相机的原理和功能等方面的对比，分析了单反相机系统成像过程中形成的单色像差等对实际成像

2、效果造成的影响，并讨论了补偿像差的方法。通过分析和讨论得出了数码单反相机在成像、像差矫正及功能等方面的优势和今后单反相机的发展前景和方向。关键词单反相机；数码单反照相机；数字图像；色彩饱和度；焦点中图分类号 TB852.1文献标识码 AImaging Principle of Digital Single Lens Reflex Cameras WangXi LiuHao WangTianqing DuWenjie姓和名之间要有空格来隔开( College of Precision Instrument and OPTO-Electronic Engineers, Tianjin Univer

3、sity, Tianjin，Tianjin 300072，China)Abstract DSLR(Digital Single Lens Reflex Camera) is a kind of camera which records images 段落要两端对齐by the digital way. It belongs to the intersection of DSC(Digital Still Camera) and SLR(Single Lens Reflex Camera). The photos that taken by DSLR are unparalleled with

4、those taken by general cameras both in image definition and photos quality. Its SLRs technology that achieves the high-performance of DSLR. Applications of DSLR camera in our work and life become more and more widely.This paper mainly introduces the DSLRs structure, characteristics, development, ima

5、ging principle and analysis and correction of various aberrations. DSLR lens on the camera always play a key role in the process of imaging. Based on the comparison on the traditional cameras and DSLR cameras in the theories and functions. The paper analyzes the effects to the images made by the DSL

6、R system in the imaging process, and discusses the method to compensate the aberration. Through analysis and discussion we get the advantages of DSLR in imaging, aberration correction and functional aspects and the future development prospect and direction of DSLR.Keywords SLR; DSLR; digital image;

7、color saturation; focal pointOCIS Codes 100.1160; 100.2000; 100.2960; 240.03101引言随着社会的发展，单反相机越来越多的进入到人们的生活中，在出游时帮助人们拍摄出各种各样赏心悦目的照片，使我们的生活变得多姿多彩。单反相机（DSLR）全称为单镜头反光照相机，它是用单镜头并通过此镜头反光取景的相机。所谓“单镜头”是指摄影曝光光路和取景光路共用一个镜头，而不像旁轴相机或者双反相机那样取景光路有独立镜头。“反光”是指相机内一块平面反光镜将两个光路分开：在取景时反光镜落下，将镜头的光线反射到五棱镜，再到取景窗上；而在拍摄时反光镜

8、快速抬起，光线可以照射到感光元件CMOS上。从技术上说，单反相机已经使照相技术发展到了巅峰水平，而如今，“单镜头反光”技术又进入了数码时代，基于其专业的定位，使其拥有广泛的受众群体。本文试图利用笔者仅有的知识，向读者介绍数码单反相机的结构、特性、发展历程、成像原理等方面，通过对传统相机和数码单反相机的原理和功能等方面的对比，展示出数码单反相机的优势。同时，基于单反相机存在的缺陷，讨论今后单反相机的发展前景和方向。2照相机发展史简介最早的照相机结构十分简单，仅包括暗箱、镜头和感光材料。1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，它是由两个木箱组成，把一个木箱插入另一个木箱中进行调焦，用

9、镜头盖作为快门，来控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像。从1839年至1924年此为照相机发展的第一阶段。从1925年至1938年为照相机发展的第二阶段。这段时间内，德国的莱兹（莱卡的前身）、禄来、蔡司等公司研制生产出了小体积、铝合金机身等双镜头及单镜头反光照相机。随着放大技术和微粒胶卷的出现，镜头的质量也相应地提高了。1947年，德国开始生产康泰克斯S型屋脊五棱镜单镜头反光照相机，使取景器的像左右不再颠倒，并将俯视改为平视调焦和取景，使摄影更为方便。1960年以后，照相机开始采用了电子技术，出现了多种自动曝光形式和电子程序快门； 1969年，CCD芯片作为相机感光材料在美国的阿波罗

10、登月飞船上搭载的照相机中得到应用，为照相感光材料电子化，打下技术基础。1975年以后，照相机的操作开始实现自动化。1981年，索尼公司经过多年研究，生产出了世界第一款采用CCD电子传感器做感光材料的摄像机，为电子传感器替代胶片打下基础。1987年，采用CMOS芯片做感光材料的相机在卡西欧公司诞生。3传统相机各级标题与正文之间的间距要统一，不要随意改变被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，这就是传统相机成像的原理。随着人类对光学认识不断加深以及平面镜、凹面镜、凸面镜的成像原理的掌握，为相机的诞生奠定了理论基础。终于在16世纪文

11、艺复兴时期，欧洲出现了供绘画用的“成像暗箱”。暗箱则被称为了照相机的先祖，原理也基本就是利用了小孔成像，后来暗箱将凸透镜替代了小孔，使得所得的像更加清晰。1839年8月19 日法国画家达盖尔公布了他发明的“达盖尔银版摄影术”，于是世界上诞生了第一台可携式木箱照相机。达盖尔摄影术的公开, 一些人认为人们根本不用再苦心去学绘画, 随便一个不会绘画的人, 都可以完成一幅很优美的绘画。在当年, 像片是一种不可思议的神秘东西, 认为他巧夺天工, 可以把身边事物原样表现出来, 根本不必经由画家之手, 就能完成令人惊讶的伟大画面。1841年光学家沃哥兰德发明了第一台全金属机身的照相机。1845年世界上第一台

12、可摇摄150的全景照相机。1888年美国柯达公司生产出了新型感光材料柔软、可卷绕的“胶卷”这是感光材料的一个飞跃。同年，柯达公司发明了世界上第一台安装胶卷的可携式方箱照相机。传统相机使用的银盐感光胶片，也叫菲林。一般来说，胶片照相机最合适的曝光是由银盐胶片的感光度决定。银盐胶片的感光度是按得到图像密度(例如黑白负片胶片为011, 彩色负片胶片为012) 的必要的曝光量(勒克斯秒) 作为基准求得的, 用ISO 速度来表示。但在数码相机中, 其数码胶片是一个系统, 没有感光度的明确规定。现在的数码相机的感光度, 如果用ISO 表示, 相当于80 1600, 其中普及型数码相机相当于ISO100 2

13、00, 这是由于为实现其低价格化而几乎都借用广播用及家庭电视摄像机用的CCD 影像传感器。CCD 影像传感器在作帧蓄积时, 由于有1/ 30左右的转换期, 把这与之对应的快门速度比较时, 在曝光量上大约相当于5010- 3 10- 2 勒克斯秒的程度, 即相当于银盐胶片的ISO100 200 左右。数码相机中, 提高图像处理电路的增益时, 感光度也能提高, 但SN 比降低, 即有产生像质降低的极限, 类似于银盐胶片的增感显影的动态。数码相机的像质对光学系统(镜头、低通滤光器、嵌镶式滤光器) 的性能, CCD 影像传感器的像素数、影像信号处理技术(影像补全、影像强调、影像压缩等) 、指示器及打印

14、机等的性能的依赖性很强, 是一个复杂的系统, 无论那一环节出了问题, 都对像质产生大的影响。当然, 胶片相机可以分开评价, 数码相机也可把镜头和数码胶片(滤光器、CCD影像传感器、影像信号处理电路、存储器等的组合) 分开考虑。1在胶片相机中, 为提高同一画面尺寸像质、就力求提高镜头的设计技术、及彩色胶片和彩色相纸的设计技术。在现在的技术条件下, 即把同一画面尺寸作大尺寸比、即使用大型照相机就可简单地提高像质。而数码相机, 在现技术条件下, 为提高像质, 而用大尺寸的CCD 影像传感器, 使像素数增加, 这就会导致其合格率的降低而使成本大大提高, 为维持合适的价格而提高像质, 根据生产的合格率关

15、系, 使CCD 影像传感器的像素数增大和画面尺寸缩小作合理安排。24数码单反相机数码单反相机(Digital Single Lens Reflex Camera)，顾名思义，就是在其中运用了单反这项新技术的数码相机。数码单反可以称得上专业级的数码相机，用其拍摄出来的照片，无论是在清晰度还是在照片质量上都是一般相机不可比拟的。单反相机的高性能归根结底是由于单反技术。下面介绍其成像原理：单反，即单镜头反光的意思。采用单反技术的相机即单反相机只有一个镜头。这个镜头不仅用来摄影，也用来取景。摄影和取景共用一个镜头能很好地解决普通数码相机由于视差造成的照片质量下降的问题。如下图所示，用单反相机取景时，来

16、自前方被摄物的光线经镜头聚焦，被斜置一定角度（与光线成45左右）的反光镜反射到聚焦屏上形成一个像，再经过顶部起脊的“屋脊棱镜”反射，将光线偏置回原来的方向并调整光线的手系，摄影者通过取景目镜（或显示屏）就能观察景物。通过物镜、主反光镜、屋脊棱镜的像的倒正、手系等均与景物相同，因而我们从观景窗观察到的像是一致像。因此使用单反相机实时取景、调焦十分方便快捷。当我们取景和调焦完毕得到满意的影像后，开始摄影，按下快门按钮，反光镜会立刻往上弹起，光线不会再被反光镜反射到上方，感光元件（一般是CCD或CMOS）前面的快门幕帘同时打开，镜头光圈自动收缩到预设的数值，通过镜头的光线便投影到感光原件上感光。由于

17、感光时间非常短，感光结束后快门关闭，反光镜立刻恢复原状，所以我们可以始终在观景窗中看到影像。数码单反相机的照片以文件形式存储在相机内存卡中，通过显示屏，我们可以观看刚刚拍摄到的照片。这就是单反相机的成像过程。数码单反相机的这种极具创造性的构造，决定了它是完全透过镜头进行对焦拍摄的，这样可以使观景窗中看到的影像和最终从胶片上得到的影像几乎完全一样。而且取景的范围和实际的拍摄范围也基本上是一致的，即做到了“所见即所得”，这十分有利于摄影者直观地取景和构图，对拍摄高质量的照片有很大的帮助。要居中图1 单反相机取景过程示意图Fig.1 SLR camera viewfinder process sch

18、ematic diagram与普通数码相机相比，我们来看看单反相机的优势何在：虽然数码单反相机也属于数码相机，但是毕竟由于采用了单镜头反光技术，数码单反相机和普通的数码相机还是有很大的区别，其中大多数区别正是单反数码相机与普通数码相机相比的优势。4.1图像传感器优势不管是采用CCD还是CMOS镜头，数码单反相机的传感器尺寸远远超过了普通的数码相机。因此，虽然数码单反的传感器像素数很高。但是其单个像素面积是普通数码相机的四到五倍。这样就可以实现非常出色的信噪比，记录宽广的亮度范围。4.2可以按需选择镜头能够更换镜头是数码单反相机最明显的优势。佳能、尼康、索尼等知名相机品牌都有庞大的自动对焦镜头群

19、。从超广角到超长焦，从微距镜头到柔焦镜头，用户可以根据自己摄影时的实际需求选择相应的镜头。同时，由于数码单反相机的传感器面积较大，对镜头的分辨率要求不是很高，因而比较容易得到出色的成像。4.3快速的响应速度普通数码相机最为人诟病的一个问题就是较长的快门迟滞时间。快门时间过长经常让摄影者错过想要捕捉到的最精彩的瞬间。而迅速的快门响应速度正是数码单反相机的一个十分出众的优势，由于其对焦系统独立于成像器件之外，它们基本上比传统单反相机有更快的响应速度。正是数码单反快速的响应速度使其受到了广大新闻、体育摄影用户的喜爱。3这些都是数码单反相机和普通数码相机最显著的区别。当然正是因为这些差别，也使得数码单

20、反相机和普通数码相机在价格上有很大的差距。一款普通的数码单反相机的价格大约可以达到一万元人民币。不过随着技术的不断完善，光学元件成本的下降和工业生产效率的不断提高，近几年来数码单反相机的价格也在不断下降，使其由原来的“奢侈品”逐渐走进普通家庭，成为普通人玩得起的一大爱好。5单反相机的不足在数码单反相机取得市场的王者地位的同时，我们也应该看到它也是存在不少问题的，需要在如下一些方面做出改进：5.1焦点不实数码图片焦点不实是由数码单反相机感光元的特点决定的。下图为Canon数码单反相机CMOS组合示意图，在感光元件前放置了三块低通滤镜。论这三块低通滤镜再薄、再干净、再透明，对影像与学传递都会造成一

21、定损伤，由此也造成了数码图像点不实。图片居中图2 Canon数码单反相机CMOS组合示意图 Fig.2 Canon digital SLR camera CMOS combination5.2色彩饱和度低，反差低它的色彩问题码单反相机具有成像色彩饱和度低，反差低三大特点，针对其特点应改变设置，妥善进行图像处理。它的数字图像的色彩的不仅受饱和度的设置的影响，相机的色彩空间(color space)的设置也至关重要。一般而言，单反数码相机的色彩空间设置有Adobe RGB与sRGB两个选项。从Adobe RGB的色彩空间范围要大于sRGB；而人眼所能看到的色彩空间则远大于数码单反相机厂家提供的IC

22、C空间(以Canon lDs Mark为例)，Adobe RGB与sRGB三者，与之最接近的只有ProPhot0 RGB。所以，在设置数码单反相机的色彩空间时，要尽量选择Adobe RGB，以获取更多的影像细节。5.3取景和实际储存的差别在数码这一方面，我们从实际观测可知，数码单反只是在快门按下后，才是数码相机。所以数码单反相机更确切的称谓似乎应该是“单镜头反光数码后背相机”。附图是LCD取景的普通数码相机的成像原理，从图可见，在普通数码相机电子取景器(EVF)或LCD显示屏上看到的景物，是由CCD感应到的光线经相机处理后，放在电子取景器或LCD显示屏上的，任何手动调节影响到曝光组合的变化，都

23、会由CCD感知，而反映在电子取景器和LCD显示屏中，按下快门后也是这个CCD将先前看到的景物忠实地放在存储器上。这个令人愉悦的过程满足了人类从摄影术诞生后即产生的幻想，获得一张看到的和得到的、是基本相同的而不是相似的影像。换句或说，就是单反在成景和储存获得的景象时，它的相差会大于普通的数码相机，而获得的是一个相似的像。图3 单反相机取景及曝光示意图Fig.3 SLR cameras viewfinder and exposure图4 电子取景相机取景及曝光示意图Fig.4 Electronic viewfinder cameras viewfinder and exposure 电子取景这个技

24、术的出现划时代地使人们通过调节曝光组合，能在复杂光线中到和看到与实景相同的曝光后的预览影像；而数码单反相机在曝光前用自然景象，曝光后用经处理后的影像让你观看，人眼与CCD对光线的感知不相同，并且幅面大小也有差异。这是电子取景数码相机和数码单反相机的重要区别之一；同时电子取景数码相机的取景屏可以多角度翻转，便于各种情况的取景，取代了单镜头反光相机的多种昂贵、复杂的取景器，这是电子取景数码相机和数码单反相机的重要区别之二。当然，数码单反相机的取景器还是有很多优点的，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

25、取景和预览都更清楚、方便。5.4操作上困境单反数码相机并不适合所有用户，除了相机和镜头的价格依然十分高昂以外，光圈、快门、白平衡、曝光度等等都必须自己设置，机身上密密麻麻专业的快捷 键、播轮，专业的操作也是一般人很难入门的。这就要求摄影者具有必要的专业知识，否则，拍出的照片可能还不如普通数码相机效果好。而且在外出旅游时，带上 镜头群的相机包的重量也远高于一个普通数码相机，会成为旅游过程中的负担。另外，单反数码相机在更换镜头时会让感光元件直接暴露在空气中，因此使用时必须 要注意相机的保养。这也是单反相机使用的一道屏障。如果单反相机能在这方面做出改进，在调节光圈等方面的调节做到半自动化，就能让更多

26、的外行人更好的使用单反相机。6改进如果单反相机能在这反面做出改进，在调节光圈等方面的调节做到半自动化，就能让更多的外行人更好的使用单反相机。作为相机的王者，单反的应用确实发挥到了近乎极致，如果想让它发挥更加完善，我想应该不是在取景方面做出改进，而是需要在成像的储存像上面作数修改，让所成的像的内容更加符合单反取景的像。如何改进取景技术，在这方面，佳能给我们在一方面提出了设想。其采用了光路设计，在反光镜弹起的背面设计了一个反光结构，而实时取景的感光元件则被设计在了反光板的下方。这与目前索尼单反上所一款单反相机使用的改变光路来实现实时取景的技术比较接近：通过改变五面镜的角度，配合相位差对焦感应，配合

27、第二枚作为LIVEVIEW感应器。但是目前来看这种技术有个弱点：因为五面镜本身的明亮度远远不及更高透光率的五棱镜元件，因此在顶级单反上实现还有一定的困难，这也就是为什么索尼未能实现实时取景技术的原因。佳能在这个新技术上可以说完全解决了这个问题：改变主反光镜转换的角度，使用主反光镜来反射光线给自动对焦相位差位感应器。而剩下的半透明的部分则通过部分光线给主CMOS，如此一来，完全可以直接利用主COMS来达成LIVEVIEW功能，而且可以配合巨大的五棱镜片作为光学取景镜片。图5佳能改进型实时取景技术示意图Fig.5 Canon improved real-time view technology参考

28、文献文献数目严重不足1期刊: Jiang shan.Film camera and digital camera - sensitivity and image qualityJ. Camera. 1999(05)江山.胶片相机和数码相机感光度和像质J.照相机.1999(05)2期刊：Jiang shan.Film camera and digital camera - basic differences and interesting similarity J. Camera.1999(06)江山.胶片相机和数码相机（3）基本的不同与有趣的类似性J.照相机.1999(06)(3)期刊：The

29、 hamburger. The king style approached to DSLR J. Computer Knowledge and Technology.2003(34):6163汉堡包.王者风范走近数码单反相机J.电脑知识与技术.2003(34):6163(4)期刊：Kuang Zhengwen，Li Bo,Shu Yizhong. Post processing the digital SLR camera imaging characteristics and digital images. Journal of Hunan Public Security College.2

30、009,21(2)匡政文，李波，舒易忠.数码单反相机成像特点及数字图像的后期处理.湖南公安高等专科学校学报.2009,21(2)(5)期刊：Li Dingchuan. Imaging principle of the digital SLR camera. Image Technology. 2007(2):2933李定川.数码单反相机的成像原理.影像技术.2007(2):2933一、论文层次分明，内容可以，就是参考文献数目严重不足。 二、格式上面需要注意：文字部分要两端对齐，论文中通篇都是左对齐，影响美观；要插入页码；图片要居中等 具体问题已经标记在附件中了，请再次按照模板要求检查并修改。County continuation records has examined and approved the draft, spirit, believe, comprehensive Yearbook of zhuanglang already prepared draft, entered the phase of evaluation. Civil air defense work