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第四章数码相机的工作原理及性能第一节数码相机的电原理框图通过数码相机下面的电原理框图我们就可以了解数码相机的摄影原理上图就是数码相机的主要部件组成和工作原理图。
由图可见，被测景物的光线通过相机的光学镜头传送到CCD图像传感器，CCD将光的强弱光信号转换为相应强度的电量信号再传送至A/D模数转换器，A/D模数转换器再将电量模拟信号转换为二进制数字信号，再传至相机的DSP数字信号微处理器，经过数学处理后的数字信号同时传至相机内部的静态/动态存储器存储和传至图像控制器处理，再由图像控制器将图像数字信号处理后再传至LCD液晶显示器显示被拍摄景物的图像，另外还传至图像压缩器将图像压缩成JPEG等格式后，再传至外接存储卡（闪存卡）以及通过USB连线将图像传至电脑或照片打印机。
由上述可知，数码相机之所以被称为数码相机，其主要道理就是它把二进制数码信号成像，所以称为数码相机。
第二节数码相机的的光电传感器与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，其原理是胶卷底片上的无数银盐颗粒感光成图像。
而数码相机的“胶卷”就是其成像光电传感器，其原理是光电传感器上的大量光电器件（光电二极管）感光成电图像。
传统相机的底片可以从相机内取出来，但数码相机的光电传感器却是与相机固定一体不可取出的。
光电传感器是数码相机的核心，也是最关键的部件之一。
在数码相机内起着特别重要的作用。
数码相机的发展道路，可以说就是光电传感器的发展道路。
目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是新开发的CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
⑴ CCD光电传感器CCD光电传感器是电荷耦合器件图像传感器CCD（charge coupled device）. 它是用一种高感光度的半导体材料制成的感光器件，在该器件上集成了数以百万计以上的数目的光电二极管，这些大量光电二极管能各自把接受到的来自被摄景物的不同亮度的光线转变成相应强弱的电荷，这些强弱不同的电荷量再通过A/D模数转换芯片转换为相应大小不同的数字量，最后再由相机内的微处理器将这些数字量处理成像。
照相机原理ppt
1. 介绍照相机的原理
- 光学成像原理
- 光线进入镜头
- 通过透镜对光线进行聚焦
- 光线通过光圈控制进入相机的数量
- 曝光原理
- 快门控制相机感光元件的曝光时间
- 曝光时间长短影响图像的明暗程度
- 成像原理
- 相机通过感光元件将光线信息转换为电信号 - 电信号通过图像处理后形成最终的图像
2. 照相机的组成部分
- 镜头系统
- 透镜：对光线进行聚焦
- 光圈：控制光线进入相机的数量
- 快门系统
- 快门：控制相机感光元件的曝光时间
- 快门速度：影响图像的清晰度和运动捕捉能力 - 感光元件
- CMOS 或 CCD 感光芯片
- 将光线信息转换为电信号
- 图像处理器
- 处理电信号并生成最终的图像
- 存储器
- 保存拍摄的图像
- 控制器
- 控制相机的各项参数和功能3. 照相机的使用方法
- 对焦调节
- 光圈和快门速度的调整
- 曝光补偿
- 白平衡设置
- 镜头选择和更换
- 图片存储和传输
4. 照相机的发展历程
- 创始和早期相机
- 可换镜头的单反相机
- 数码相机的出现
- 高级功能和智能化发展
5. 照相机的应用领域
- 摄影师和艺术创作
- 旅游和纪录
- 应用于科学研究和工业检测 - 家庭和社交媒体分享
6. 总结和展望
- 照相机的原理和组成部分
- 照相机的使用方法和应用领域 - 未来照相机的发展趋势。
照相机的主要结构照相机的结构示意图①机身②镜头③光圈④快门⑤胶卷⑥卷片器⑦取景框照相机是一种集光学、机械、化学、电子、材料于一体的仪器,大小部件很多,但其主要部件有镜头、光圈、快门、取景器、测距器、机身、卷片装置、闪光連动和自拍机等;一、镜头的结构和成像原理镜头是照相机的眼睛,它和人的眼睛一样,能使被摄物体形成一定的景象,并如实地记录在感光片或者磁盘上;现代照相机机的镜头是一种复式镜头,它是由三、四片或者六、七片不等的凹凸透镜组成;这些镜头口径大,并其表面有镀膜,大大提高了镜头的透光能力和成象的清晰度,克服了单透镜照相机容易出现的变形现象;镜头分为固定镜头和活动镜头两种,都安装在照相机的前端;1、镜头的成像原理：构成镜头的主要成分是玻璃透镜;透镜又分凹透镜和凸透镜两种;凹透镜只能发散光线,不能成像；凸透镜有聚光的作用,能把外界的各种光线会集起来,形成一定的影像;现代照相机的复式镜头都具有聚光成像的作用,而凹透镜虽然没有聚光成像作用,但它有校正镜头成像时出现的各种像差的功能;从可以看出,凸透镜左边有一个光点,透镜将它的发散光线分别向主轴折射,最后所有的光线会集成一个很清晰的小亮点;这个小亮点就是透镜左边光亮点的“像”,也就是光学上讲的“焦点”;假如透镜左边的光点换成一个物体,那么在透镜右边就不是一个小光点了,而是这个物体的影像了;：经过透镜聚成的物体的影像,其各个部分的位置和原物体恰恰相反,上下颠倒,左右移位;这是因为光线都是直线传播的,这些光线穿过透镜分别向主轴折射后,到达成像屏上就会聚成一定的影像;这时从图中可看到,从物体下部射来的光线并不会聚在下边,而是在上面；从物体左边射来的光线也不会聚在左边,而是在右面;所以说,物体通过透镜会聚成的影像,其各部分的位置都是和原物体相互倒置的;2、镜头的焦距：透镜成像在理想的情况下,同一物点发出的全部光线,通过透镜后仍相交于一点,每一条直线都相对于惟一的一条直线,每一个平面,都对应于惟一的一个平面;这种物与像一一相对应的关系,叫做共轭关系;一般地说,被摄物体离镜头30米以上,即称之为无穷远,用符号“∞”表示;无穷远处的物体散射出来的光线,通过镜头的透镜形成的像点,就是;从焦点到透镜中心的距离,就是;焦距用符号“F”来表示;除了变焦镜头以外,其它的镜头的焦距都是固定的;常见的镜头的焦距有、、5cm、9cm、等多种;镜头焦距的长短,直接影响物体成像的大小;在同一地点,用不同焦距的镜头拍摄同一物体,其形成的影像的大小是不一样的;这个变化的规律是,用的镜头的焦距越长,其物体成像就会越大;反之,镜头的焦距越短,其拍摄物体的影像就会越小;即物体成像的大小与镜头的焦距的长短成正比;镜头焦距增加一倍,物体成像也就增加一倍;如下图所示;镜头焦距的长短还影响到镜头的透光量、镜头的视角大小和景深的长短;凡是焦距长的镜头,其透光的能力较弱,视角较小,景深较短；而焦距短的镜头,其透光能力就较强,视角也较大,景深较长;因此,在摄影时就要根据不同的需要,选取不同焦距的镜头;3、镜头口径的光圈系数：镜头的口径就相当于房子的窗口,窗子越大,进入房子里的光线就越多,室内就越明亮;镜头的焦距就相当于房子的深度;镜头的焦距越长,感光片上得到的光线照度就越弱；镜头的焦距越短,感光片上得到的光线照度就越强;例如,有两个口径都为一吋的镜头,但它们的焦距不一样,分别为8吋和16吋,口径与焦距的比值为1：8和1：16,显然,焦距为8吋的镜头比焦距为16吋的镜头的光通量要大;我们通常把1：8 和1：16的比值写成f8和f16,“f”是一个系数,它表明镜头焦距对镜头口径的倍数; 口径相同的镜头,焦距越长,f系数的数值就越大,而f系数的数值就越大,镜头的透光能力就越弱;如>>>f8> f11>f16>f22;自然界的光线是瞬息变化的,时强时弱;在拍摄时,为了能让所需要的光线完全通过透镜,折射到感光片上,使物体清晰成像,最理想的办法是使镜头的口径能随意调节,控制进入镜头光线的多少,于是,人们就在镜头上安装上了“光圈”装置;光圈一般都是由十几片微薄的钢片组成,装在复式透镜的中间,由按钮调节圆孔的大小;这些不同口径的圆孔,其主要的功能就是控制通过镜头的光通量;圆孔的大小由数字表示,分别为、、4、、8、11、16、22等,这些光圈的读数与镜头的相对口径大小是一致的;这样,虽然镜头的口径不变,但由于光圈的调节圆孔的大小,也就是调节了镜头口径的大小,以此来调节透过镜头的光通量,使到达感光片上的光的强度始终保持在一个恒定的量上,感光片也就得到了正确的感光;以上光圈各档的数值通常又称之为光圈系数,都刻在了镜头的边缘上; 从的排列上可以看出,光圈越小,其通过镜头的光通量就越小,而f系数的比值却越来越大,从一直递增为22;f系数比值大小,和实际镜头的光通量成反比,也就是说,光圈的读数越大,光圈开的就越小,通过镜头的光通量也就越少;4、镜头的视角：镜头的视角范围有一定的限度;镜头视角的大小,取决于镜头焦距的长短和用底片尺寸的大小;焦距短,底片尺寸大,视角也就大,拍摄范围广；反之,焦距长,而底片小,视角也就小,拍摄范围自然也就小;右图所示一般标准镜头的视角大约在50度左右;测定镜头视角的方法是：当镜头与底片保持在焦点距离时,由镜头中心到底片对角线两端所形成的夹角,即是镜头的视角;例如焦距为6mm、f/ Fisheye-Nikkor AIS的尼康超广角镜头,左图极适合于用来创造特别效果,220°的视角比一般的鱼眼镜大出40°,f/的最大光圈使这支镜头能够在极暗的光线条件下进行拍摄;近摄距离：28厘米,5片滤镜内置于镜头中的旋转塔上;5、加膜镜头：相机镜头的透镜表面,往往呈紫色、米黄色、深蓝色等,这是在镜头透镜的制作时,让氟化物在高度真空中蒸发,在透镜的表面上就形成了一层带色的薄膜;其目的就是为了尽量减少光线通过镜头时的反射, 降低光线的损失,把尽量多的光线都通过透镜到达感光片,让感光片正确感光左图;二、镜头的景深和超焦距1景深的形成：在摄影过程中,需要调准镜头的焦距才能拍摄出清晰的照片,由于视场中的物体离镜头的距离是不一样的,也就是说它们的焦点是不在一个焦点平面上的,由于镜头有共轭焦点如左图所示;图中A、B、C分别表示场景中的三个物点,若以A为目标聚焦,则A的像落在焦点平面上的就是A＇,那么在A点前后的B、C两点,其落在焦点平面上的就是B＇和C＇,是一个光斑,叫做弥散圈;当这个弥散圈的直径小到人的肉眼分辩不出来时,B、C的光斑也被认为是清晰的像点,在焦点平面上,B＇、C＇的成像清晰范围叫做焦深;与焦深相对应的被摄景物的清晰范围叫做景深;从被摄物到最近清晰点的距离叫前景深,被摄物到最远清晰点的距离叫后景深;前后景深的和叫全景深,简称景深;把不影响成像清晰度的最大模糊圈称为容许的弥散圈;弥散的直径是决定摄影焦深和测距精度的重要参数;这个量值,由观看照片的距离、放大倍率和眼睛的分辩率来决定的;从计算和实验的结果证明,人眼观看任何物体,当人眼距离越过被观察物体直径3450倍时,这个物体成像就是一个小点;一般的照片,照度为50－200LX,照片的最大密度是以作为照相容许弥散圈的直径,就是按照345mm视线距离来决定的,这时,视角正好为1＇,而平时明视距离观察即250mm,观察物体时,其相应的视角比人眼的极限分辩角稍大一点人眼的鉴别角2＇ -3＇也是容许的;135胶卷的弥散圈应在1/20－1/30mm,120胶卷则在1/10－1/20mm;通常规定的弥散圈直径以不超过该照相机标准镜头焦距的1/1000为原则;135照相机的标准镜头为50mm,它的1/1000就是1/20mm;如在135照相机上换上一个500mm长焦距镜头,仍按50mm计算,因为胶片的尺寸未变;2影响景深的因素景深的大小是由光圈的大小、镜头的焦距和镜头到被摄物体之间的距离而决定的;光圈大小也決定了景深的大小;光圈越大,景深越短；光圈越小,景深越长;在拍摄中,欲取最小景深的最简单的方法是使用最大光圈;如果由于光线太亮,使用最大光圈配合相机上的最快速度,曝光仍然过度的话,解决的方法之一是使用“灰色滤镜”,方法之二是换用片速低一些的胶卷;要想使所有的被摄景物在画面上都能较为清晰地显现,则需要尽可能大的景深,景深越大,被摄景物的清晰度也就越高;欲取最大景深的最简易的方法就是缩小光圈,尽可能使用相机上的最小光圈;焦距的长短,直接影响着景深的长短,在同一个光圈、同一地点拍摄同个景物,镜头焦距越长,它的景深就越短;用长焦距镜头拍摄,镜头伸出的长度,比短焦距要长,在焦点平面上形成的弥散圈直径也大,焦深和景深也就变小了;物距的远近;在光圈和镜头焦距不变的条件下,镜头到被摄物越远,其景深就越大,反之,则越小;因为物距和像距是共轭关系,焦距由近向远处调,焦点平面上形成的一系列的弥散圈变化不大;这样可容许的弥散圈的范围较大,景深也较大；而物距逐渐减小时,焦点平面上形成的一系列的弥散圈变化明显;这样可容许的弥散圈的范围较小,景深也较小;因此,在实际应用时,根据创作的要求,把光圈、焦距和物距综合起来考虑,把景深控制在所要求的范围内;3超焦距当镜头调焦到无穷远时,从照相机到最近处清晰物面之间的距离H叫超焦距;超焦距是一个变量,它的长短是由照相机镜头的光圈大小、镜头焦距的长度和拍摄时的物距来决定的;光圈开度越大,超焦距越大,成正比例关系；镜头焦距越短,超焦距越短；在弥散圈大小不变的情况下,超焦距和焦距成正比;所以,要与景深区别开来,即超焦距越大,景深则越小,成反比关系;两者不能混淆左图;由形成景深的原理可知,当调焦点放在无穷远时,前景深到无穷远时是超焦距,而后景深没有发挥作用;当调焦点移到景深前界限处,使最远清晰点仍在无穷远,而最近清晰点到镜头的最近距离,恰好是超焦距的1/2,景深也就增大到1/2超焦距处,所以,用超焦距扩大景深,在摄影中被广泛地应用;发挥超焦距的作用,可以从两个方面考虑;一方面能最大限度地扩大景深范围,如在抓拍运动的物体时即可运用;另一方面,适当开大光圈,可以相对提高胶片的感光度;一般来讲,要想得到从米到无穷远的景深,必须用f16的光圈,如果运用超焦距,则可以运用f8的光圈就可以得到同样的景深范围;这样相对地增加了两级光圈;因此,在光线较暗的环境里拍摄,为了增加曝光量,由开大光圈,利用超焦距增大景深,就可以同样达到预期的目的;三、镜头的质量镜头的优劣直接影响到照片的质量,而镜头的质量表现在镜头的透镜结像的清晰度、准确度和通光量;一枚质量好的复合式镜头,是由多片凸透镜和多片凹透镜组成;凸透镜是具有聚光成像的能力,凹透镜是具有校正像差的作用;但组合起来仍然相当于一个成像的凸透镜;镜头的分辩率是指镜头对物像细微影纹的分辩能力;一般是利用镜头的分辩率的高低来评价镜头的质量优劣;通常是在成像面上每一毫米的距离内所能清晰地分辩出黑白线条的条数,其单位是“线对/mm”;国家规定,135、120照相机摄影物镜的分辩率标准分为三个等级,见下表：标准像幅视场一级二级三级60×60mm 中心视场条/mm26 21 15 中心以外条/mm13 9 624×36mm 中心视场条/mm37 31 26 中心以外条/mm22 15 12由于镜头的结构十分严密,要精确地鉴别镜头的质量,需要有专门的光学仪器;通常有一个简便的鉴别方法：1察看镜头的最大口径;镜头的口径越大,说明它的感光能力越强;可以适应较暗的拍摄环境,进行较快的速度曝光;2观察镜头的分辨力;镜头在视场中心和视场边缘部分的分辨力是不一样的;镜头中心的强,边缘的弱;镜头的质量越高,其分辨力就越强;根据这一原理,可以拍摄一块线板,看其照片的清晰度,以此来测定镜头的分辨力,即可判断镜头的质量;3观察像界的清晰度;像界的清晰度就是指镜头成像清晰和影纹纤细的程度;鉴别时,可以在照相机的后面放感光片的地方,放置一块磨沙玻璃,通过它观察书报上的字迹,检查影像的清晰程度;。
相机的原理结构图
相机的原理结构图如下所示：
1. 光学系统：包括镜头、镜片和光圈等组件，用于控制进入相机的光线的聚焦和光量的调节。
2. 快门系统：由快门和快门机构组成，用于控制进入相机的光线的曝光时间。
3. 影像传感器：光线经过光学系统和快门系统后，进入影像传感器进行光信号的转换。
4. 图像处理器：将影像传感器捕捉到的光信号转换为数字信号，并进行图像处理，如色彩校正、降噪等。
5. 存储器：用于暂时存储图像数据。
6. 视图系统：包括取景器和LCD显示屏，用于实时观察拍摄
角度和图像的预览。
7. 控制系统：由按钮、转盘和面板等组成，用于用户对相机的各种设置和操作。
8. 电源系统：包括电池和电源管理模块，提供相机所需的电能。
9. 连接接口：如USB、HDMI等，用于与其他设备进行数据
传输和连接。
第二节、γ照相机一、γ照相机的基本结构与工作原理γ照相机由准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、定位电路、显示记录装置、机械支架和床组成(图7-1)。
其中将准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器和电子矩阵电路等固定在一个支架上，组成探测器(探头)。
(图7-2)人体内吸收放射性药物后放出的γ光子，经过准直器入射到闪烁晶体，闪烁晶体将人射的y射线转换成光子，能发出闪烁荧光。
在闪烁晶体与光电倍增管之间由光导连接，光导的作用是将闪烁晶体产生的荧光有效地传输到光电倍增管的输人屏上。
探头内一般有数十只光电倍增管，并按一定的规律排列。
光电倍增管将接收到的闪烁光按照一定的比例关系转换成电流，经过前置放大器增幅放大后。
输出到定位电路。
γ射线通过铅准直器孔道投射到晶体上，晶体产生的闪烁荧光可以同时经光导传输到所有的光电倍增管上.最靠近荧光点的光电倍增管接收到的光子最多，输出的电脉冲幅度最大，离得较远者则因接收的光子数较少，输出的电脉冲幅度较小(图7-3 )。
因此晶体中发生一个闪烁事件就会使排列有序的光电倍增管阳极输出众多的幅度不等的电脉冲信号，对这些信号经过权重处理，就可以得到这一闪烁事件的位置信号P。
定位电路就是在每个光电倍增管的输出端加一个与位置有关的权重电阻或权重延迟线，将每个管输出的信号进行位置权重，再利用加法电路和减法电路将所有经过位置权重的号总和，利用比分电路得出这一事件特有的位置信号P。
图7-4为由各个光电倍增管的位置权重电阻组成的矩阵示意图。
每一个光电倍增管都与4个电阻相连接，各电阻的阻值根据管的位置不同而异。
以下举两个简化了的例子来说明闪烁事件的位置信号是如何形成的。
一个闪烁事件发生在晶体中心(X,Y坐标原点)，对位于第10号光电倍增管，其输出信号s10经过前置放大输人的4个电阻，阻值相同，设为20;由4个电阻输出的信号分别为X+、X-、Y+、Y-、，经过加法、减法和比分电路乃得到3个新的信号:X和Y为该事件的位置信号，在此例中X值和Y值皆为零，据此乃可以确认事件发生在X,Y坐标原点。
