数码相机的工作原理

一：数码像机的起源
数码相机最早出现在美国，大约20多年前装置在卫星上，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片。后来数字摄影技术转为民用并不断拓展应用范围，目前在欧美已十分流行，它是继扫瞄器之后，成为计算机影像的新型输入设备之一，并且已经广泛的使用当中。
二：数码相机工作原理
数码相机是由光、机、电一体化的产品。它的核心零件是CCD(Charge Couple Device，电荷耦合原件)影像检测传感器。CCD是使用一种高感光度的半导体材料制成，在光线作用下，可将光线作用强度转化为电荷的累积，再通过模数转换芯片转换成数字信号(也就是0与1的讯号)，数字信号经过压缩以后由数码像机内部的闪存或内置储存媒体来保存，因而可轻易的透过各种方式把影像数据传输到计算机，并借助计算机的处理手段，根据需要来修改影像。

三：数码相机与传统相机的比较
数码相机的最大优势在于利用数字化的信息，可以借助遍及全球的数字通信网及时传送(例如Internet)，得以实现影像的实时传递。它的外观，部分功能和操作方式与普通的35mm相机差不多，但毋须对焦、设置快门速度等(但是少数的专业型数字相机操作方式却和传统相机一般)。此外，数码相机与传统相机相比，还有以下几个不同点：
1. 处理时间不同：
从按下快门到数码相机真正地储存下影像之前，需要延迟约1﹒5秒。这是由于需要进行光传感器读取景像、高速光圈或改变快门速度、检查自动聚集、打开闪光灯等，将所拍摄下的影像转成数字元信号等操作，因此数码相机并无法做到像传统相机一般的连续拍摄，即使数码相机有这样的功能，也是牺牲了高分辨率而迁就至低分辨率的影像才可作到，另外由一张拍摄完成到准备拍摄另外一张影像的时间伴随着分辨率大小而有所不同，简单的说，就是分辨率越高，所花费的时间越多。
2. 储存媒体不同：
数码相机摄取的影像以数字元方式储存在记忆卡上，而传统相机的影像则是以化学方法记录在卤化银的底片上。
3. 影像质量不同：
用传统相机拍摄的影像晶状格会远远小于CCD采集的影像像素数，其次传统相机的卤化银胶片可以补捉连续色调和色彩，而数码相机的采集原理只能是亮或暗两种情况；此外，数码相机的CCD在较亮或较暗的光线下会丢失部分细节，并且有时很难校正；它适宜使用单调光、使用闪光灯或HMI光源拍照，会得到令人满意的效果。同时一个典型的35mm传统相机分辨率一般可以轻易达到2500dpi，而数码相机无法达成如此高的分辨率。
4. 输入输出方式不同：
数码相机拍摄的影像可直接输入计算机，经由影像处理软件处理后打印出来。传统相机的影像则必须在暗房里冲洗，想要进行处理必须通过扫瞄器输入计算机，扫瞄得到的影像质量必然受到扫瞄器精度的影响。这样，即使它的摄影质量很好，经过扫瞄以后得到的影像就差得远了。
照这样说，数码照相机所得到的影像是不是只能利用打印机输入成相片呢﹖其实并不然，现在矗立在各大街头的相片冲洗店，店头招牌已经渐渐加入一行字『数字影像输出中心』，也就是说传统的冲洗店已经追上了时代的潮流，加入了数码相机的影像输出服务，只不过鉴于冲印装置建购成本比起传统的自动冲印设备来的昂贵(大约一部机器在八百万元左右)所以设立点并不是很多，可是在趋势的引导下，数字冲洗店已经朝向加盟的方式经营。所以在不久的将来，数字冲洗店将与传统的冲洗店一样普及。
5 成本的不同：
传统相机要冲印成相片，必须交给相片充洗店作相片冲洗，但是数码相机可不用这样的麻烦，因为可供输出的管道十分的多，例如可用喷墨打印机、相片打印机、数字冲洗店，甚至最新的技术是采用透过Internet传输影像到数字冲洗店的计算机中，然后经由数字冲洗店输出之后，交由快递送至收件者家中，这样的方式，可以节省往返车劳的时间，也方便无法到冲印店送件的使用者。
经过调查显示，数码相机的功能上具有明显的优点，便于在计算机上进行编辑处理，存储量大，易于传输并可长期保存；只要具备适当的输出设备，输出也相当方便快捷，这些优势是普通相机所无法比拟的。但与此同时，数码相机尚存在一些明显的不足，机体价格昂贵是首要问题，因为数码相机是采用电子式构造，基于机密度的考虑，所以数码相机的价格一直无法平民化。
影像的质量也有待提高，这个缺点只有朝增加分辨率与技术的进步才可以解决，另外数码相机的拍摄受环境限制，曝光动作时间长和不易操作也限制了它的普及。还有最重要的一点，就是数码相机所摄成的影像输出成本比起传统底片输出成相片还要来的昂贵。
总体而言，价格是阻碍我国数码相机市场迅速发展的首要因素。数码相机的价格令大多数的人敬而远之。其次，国内数码相机的市场刚刚起步，产品性能有待提高，必然涉及到售后服务的完善程度，相关产品的配套等问题；使用上的局限与操作上的困难也增大了它与人们的距离。另外，产品的宣传活动及形式也是数码相机普及的关键一环。
四：数码相机的发展现况
1 就数字照相机的镜头来说：
1-(1) 依可否调焦区分为固定镜头（fix lens or free focus）及可自动对焦镜头模（focus lens）

固定镜头顾名思义就殊学镜头本身与机身为固定不动，以及两者无相对运动。其另一涵义就是此光学镜头无法调焦。所以其成像质量与可对焦之光学镜头相比较之下，就逊色不少。另外，为使拍摄范围能涵盖从近距离别无穷远，因此就必须使其拍摄条件设定在景深长的状况，所以其采用的光圈值就不能太小，也由于光圈值大，因此就必须靠闪光灯来补光。一般此镜头在低阶相机或PC Camera最常见。

1-(2) 依镜头焦距值可否变化区分为单焦点镜头和变焦镜头

取像用光学镜头若以焦距可否变化，可分为单焦点镜头及变焦镜头。单焦点镜头顾名思义其此镜头的焦距值就只有一个；如5.7mm、6.2mm，如前所述固定镜头（ fix lens）一般都为单焦点镜头，但单焦点镜头不一定就侍定镜头，因高阶单焦点镜头包括有可对焦镜头。而变焦镜头的焦距值，不是一个固定值，而是一段范围；如6~18mm、5.5~11mm；因其焦距值可变化，所以其机构相对就更复杂。一般变焦镜头的采用会搭配在中高阶数码相机上，而用在数码相机上其变倍比（最大焦距值与最小焦距值之比值）通常2~3倍之间最多，而变焦镜头通常都为可对焦镜头。

1-(3) 依视角可区分广角、标准、望远视角的镜头

以一般人双眼能充分辨识色彩的角度范围的为50度的视角来说，我们依此来区分光学镜头的视角为广角、标准或望远，约略可依成像面尺寸(即CCD尺寸)来出略判别光学镜头其焦距值对此CCD的视角。有一简单的判别方法，就是若焦距值约等于CCD尺寸对角线，则可说此镜头对此CCD展现的视角为标准镜头，举例来说，以1／2英寸CCD成像面尺寸约写4﹒8mm X 6﹒4mm，对角线为8mm。若搭配光学镜头其焦距值若为8mm，则其视角接近人眼的辨识色彩的视角，此光学镜头可称为标准镜头。反观之，若焦距值约明显小于或大于CCD尺寸对角线，其将造成通过镜头成像后，视角将大于或小于人眼的辨识色彩的视角，则称为广角或望远镜头，其影响就是可成像的范围较广景物较小或可成像的范围较窄景物较大。例如4mm的焦距值的光学镜头对于1／3英寸CCD的成像面（对角线约6mm），其视角约74度大于50度人眼的辨识色彩的视角甚多，因此我们称此镜头对于1／3英寸CCD为广角镜头。而一般数码相机单焦点镜头皆小于CCD对角线长度，以使其具广角视角效果有如14mm的焦距值的光学镜头对于1／3英寸CCD的成像面，其视角约24度小于50度人眼的辨识色彩的视角甚多。因此在远处之景物也可透过此光学镜头，得到较大的像。因此我们称此镜头对于 1／3英寸CCD为望远镜头，一般数码相机除了搭配变焦镜头外，较少有数码相机单焦点的镜头，视角为望远视角。然而，在数码相机焦距值规格中，经常以相当于传统33mm底片相机的焦距值来表示，而35mm底片规格尺寸为24mmx36mm而其对角线尺寸约略为43mm，但我们常以镜头焦距值50mm为35nm底片相机的标准镜头。

1-(4) 数码相机光学镜头规格演进

依CCD画素区分数码相机可分为低阶、中阶、高阶数码相机，同样地光学镜头亦可分为低阶、中阶、高阶光学镜头。
首先，我们若从数码相机画素发展的历程来区分的话，大抵可分为三阶段。第一阶段则以CCD有效画素在30万画素以下的低阶数码相机为主，第二阶段则以CCD有效画素在30万画素以上到80万画素之间的中阶数码相机，第三阶段则以CCD有效画素在百万画素以上的高阶数码相机。在此三阶段搭配的光学镜头，其规格及技术也不尽相同。
以第一阶段低阶数码相机来说，此时搭配的光学镜头，几平全部侍定镜头(fix lens or free focus lens)为主，也就是以低阶光学镜头为主，其所提供的功能有限，诸如光圈值大部分为一段固定光圈口径，而只有少数有提供两段的光圈口径，对焦功能方面无(也就是不用对焦)。因此此阶段数码相机的光学镜头规格与PC Camera的光学镜头几乎相同，两者的差异只在于镜片材质的不同而已，数码相机为玻璃镜片， PC Camera为塑料镜片居多。
而第二阶段数码相机搭配的光学镜头，在规格及功能上已明显提升，诸如具自动对焦功能、近距拍摄、多段光圈变化、机械快门及2~3倍变倍比之变焦镜头等等。此时光学镜头的技术，已牵涉较复杂的光学、光机及电气控制技术。
在第三阶段数码相机，由于具百万画素CCD（ 2百万或 3百万）其每个画素尺寸约在3~4 μm之间﹒因此光学解像力被要求就相当严格（光轴中心解像力需2OO lps／mm，四周约160 lps／mm），同时为了表现百万画素的影像质量，其搭配的光学镜头，无论是在功能上或是在光学性能上，皆相当地严格，光学及光机技术困难度也相对地高。此时搭配的光学镜头不论是单焦点（固定焦距）镜头或是变焦镜头，皆有提供自动对焦、近距拍摄、多段光圈变化、机械快门等功能。
同时，在光学镜头模块本身的对位（alignment）及定位上，以及镜头模块与CCD Sensor之对位（alignment）、调整等技术就相当重要，否则就空具有超高画素的CCD，而无法表现出其影像质量的细腻。

2 就影像传感器的发展现况而言
目前的发展情形除由日商所长期掌握的电荷偶合原件影像传感器(CCD)外，目前，互补式金属氧化半导体影像传感器(CMOS)随着半导体制成技术的逐渐成熟，如今低分辨率(百万画素以下)的数码相机业者逐渐采用CMOS替代CCD。
CMOS由于其低成本及系统整合性高的优势，被视作CCD传感器的替代产品。CCD传感器与CMOS传感器都由硅晶圆制造而成，因此，两者对可见光及近红外线光谱的感应程度基本上相似。两种技术都藉由相同的光电转换过程，将影像入射光（光）转换成电压（电），如果还需要彩色传感器，再将每个画素上覆盖彩色滤光片（R、G、B）即可。
CCD所采取的特殊IC制程技术已发展有25年的历史，虽然， CCD可以把其它数码相机的功能（例如：数字讯号处理、定时逻辑等）一起整合，在技术面可行，但却没有经济效益，实际应用上，其它功能多建在另外的芯片上。大多数采用CCD的数码相机，有3到8颗的芯片。在未来信息产品将迈入整合单芯片的趋势下，就长远来看， CMOS是未来传感器的主流产品。
目前，日本市场正值大力促销数字摄录像机与33O万画素以上的数码相机，造成CCD需求大增、产能不足，所以自1999年2~3月开始， CCD产品开始短缺。在台湾生产百万画素以下数码相机的业者，有些已考虑采用CMOS来替代CCD，如此将可降低成本并提高产品的竞争力。而且随着数码相机价格之下滑，CCD传感器在1999年下半年亦有跌价的趋势。 CMOS传感器未来一、二年内，在影像质量不足、价格差距有限的情况下，仍将只能在80万像素以下的低阶数码相机市场中，此外，在电子玩具、可携式信息家电产品（手机、PDA、笔记型计算机等）、视讯摄影体 ( PC Camera)、影像电话、汽车用传感器、保全用途监视摄影机等领域，CMOS传感器具有很高的发展潜力，值得国内厂商投入开发。