数码相机与传统相机光学系统的异同
从数码相机与传统胶片相机的成像原理图可知,数码相机除了保留传统相机的成像镜头、光圈和快门外,一系列元器件和电路代替感光胶片,光学成像系统依次由镜头、红外线截止滤光片、光学低通滤波器、微透镜阵列、马赛克滤光片等组成。
传统相机与数码相机原理比较
数码相机使用镜头可以分为三大类:135单反数码相机,使用的镜头绝大部分是传统胶片相机的可换镜头;135轻便数码相机,使用焦距较短的不可换镜头;6×4.5cm以上画幅的传统银盐相机配用高像素数码后背后,成为中、大画幅数码相机,镜头不变。
一、受光芯片的尺寸与镜头焦距的关系
传统135照相机画面对角线长43.3mm,焦距40~58mm 均可称为
标准
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镜头;这些镜头的视场角约为40~55。
数码相机,由于受光芯片尺寸一般都比较小,所以镜头
焦距值比传统相机短。传统胶片相机的可换镜头使用在数码相机时,相当于焦距值应是L胶片(画面对角线长)÷L受光芯片的对角线长与镜头名义焦距的乘积。例如,尼康D100相机,使用尼康50mm标准镜头时,同样视场角,相当焦距为(50mm×43.3)÷28.4=76.2mm,成为中焦镜头。
轻便型数码相机,使用最多的是2/3英寸和1/2英寸的受光芯片(画面尺寸),最近也出现1/2.7英寸和1/1.8英寸等新规格的受光芯片。
二、数码相机的像素尺寸与镜头分辨率的要求
数码相机的像质,基本上由受光芯片(图像传感器)的像素数决定,像素数高时,像质一般较佳。但像素数增大时,制造成品率非常低,造价很昂贵。为了要推持低价格,只有把像素数增大。当然,随着制造技术的不断进步,在受光芯片难以大型化的情况下,唯有增加像素数。
一方面要防止画面大型化,另一方面又要增加像素数,必行之路显然是使像素尺寸变小。像素尺寸的微型化,会造成受光芯片的感光灵敏度和动态范围下降等,为此希望摄影光学系统(镜头)有尽可能高的分辨率。
对于数码相机,大家关注点过于集中在CCD上,其实
CCD的性能和镜头的性能同样重要,如果镜头的分辨率达不到分辨CCD像素的要求,再优良的CCD芯片一样不能完全发挥作用。
像素是CCD捕捉影像(光信号)的最小单位,镜头的分辨率是传递和重现图像(影像)最小细节的本领,也就是对两个很接近的点刚能加以辨别的能力。例如,像素尺寸10μm(0.01mm)时,镜头应有的分辨率R=1/(2×0.01)=50线对/mm。使用较多轻便相机的CCD芯片,像素尺寸约为5μm-3.2μm,由此推算,镜头分辨率应不低于100线对
/mm-150线对/mm,这是一个要求较高的指标。表1列出像素尺寸与镜头应具有的分辨率关系估算值。
受机身精度、对焦误差及“光学低通滤波器”等影响,实际使用时镜头分辨率还会下降。众所周知,大部分镜头的视场边缘分辨率仅为中心的50%-70%,因此对镜头的分辨率要求还应提高,特别对于数码相机上使用的变焦镜头,必然提出更高设计和加工要求。
三、数码相机镜头的特殊性
CCD受光芯片,由2层电极构成,相邻像素间必须有分离部分,使入射光在受光部的利用率很低。马赛克透镜阵列,
使入射光聚合在像素上,以提高感光度。轻便型数码相机的镜头设计时,要注意受光芯片的各像素上的微型透镜(单个微型透镜)与其有重要关系。当单个微型透镜
上的光线的入射角不适当时,不仅受光部的集光效果欠佳,而且易产生逆效果。在轻便数码相机的镜头中,出射光瞳远时(主光线与光轴几乎平行),成像效果较佳。
小型数码相机的镜头,管焦距很短,但希望有一定后截距。在定焦镜头中,后截距(镜头的最后一面到像方焦点的距离)长时,前方应使用凹透镜组,后方配置凸透镜组,成为一个反远距(长工作距离)高斯型镜头。变焦镜头场合,多数由2~4组变倍透镜组构成,同样要考虑出瞳远及后截距长等要求。
四、数码相机的景深及镜头光圈调节的局限性
由于数码相机受光芯片的尺寸较小,因此同样视场角时,焦距比传统胶片相机短。镜头焦距短,首先反映出拍摄影像的景深增加,同时,随着光圈的缩小,景深会进一步加大。由此可见对焦精度可以放宽,不容易出现对焦误差引起画面模糊,这是有利的方面。
尽管景深增大对风景、留念一类摄影是有利的,但对拍摄艺术照片、需要虚化背景时,是很不利的,应引起使用者的注意。
数码相机镜头的光圈设置一般不能太小,F数控制在
F8-F11以下是合理的。
由于像差影响,实际分辨率还会下降。因此,为了保证镜头有150~200线对/mm的分辨率,光圈限定在F8(或F11)以内是必要的。目前大部分轻便相机的光圈设置F2(F2.8)~ F8(F11),上述是主要原因。另一原因,由于镜头焦距短,受机械尺寸限制,光圈孔无法做得太小。
五、原色组合滤光片与补色组合滤光片
受光芯片CCD等是一种只能感受黑白颜色的传感器,为了获得真实色彩信息,应在CCD的各个像素前增加滤色片。目前使用的滤色片有二类,一种是彩色还原效果较佳的原色组合滤光片,由1个红(R)、2个绿(G)和1个蓝(B)组成,4个一组,类似马赛克排列,覆盖在每一个像素上。同样,补色组合也有黄(R+B),青(G+B)、品红(G+R)、和绿(G)组成。因为人眼对于绿色最敏感,故绿色占比例较大。补色组合分辨率和感光性能比原色组合优良,但色彩还原不及原色组合。
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