二、数码相机的结构

现代数码相机由两大部件组成：镜头和机身（有的还附带竖拍手柄）。本章以介绍机身为主，镜头部分将单独成章介绍。数码产品是高科技产物，集电子、机械与信息技术于一身，且带有多种附件，相比传统相机，结构要复杂得多（图1-3是佳能EOS5D的内部结构图），机身上有快门、取景器、图像传感器构件、图像处理器电子元件、测光装置以及闪光连接装置等；镜头上含有光圈、对焦驱动马达，有的还有防抖器件。

1．取景器

数码照相机取景器常见的有这么几种：单镜头反光式、旁轴平视式和机背液晶屏取景式。

单镜头反光式：它的结构与传统胶片单反相机相同，机身上有一块五棱折光镜和一片反射镜片，取景器中见到的景物，就是图像感应器上实际获得的画面图像（图1-4、图1-5）。

常规的反光镜在按下快门时会自动向上弹起，其动力源来自小型驱动马达，单反机的五棱镜、反光镜、驱动马达以及传动装置，构成了相机内部体积最大的部件，索尼单电相机从ɑ55起推出了一种“半透明固定反光镜”模式（图1-6），反光镜固定，经过镜头进入的光线绝大部分透过反光镜片进入图像感应器，约1/3的光线经反射投向机顶反光片，由独立的电子成像系统产生可见的电子图像，在取景目镜位置的电子取景器中呈现。由于取消了反光镜驱动马达和翻动机械臂等装置，缩小了机身，减少了震动，并消除了快门的开启时滞，使连拍的频率得以提高。

相机将AF对焦感应区域移到了相机机顶部位，全新的设计允许光线直接传达到图像传感器和自动对焦系统，就不需要在拍摄时移动反光镜了，极大地改善了相机在跟踪对焦、LV实时对焦和视频短片拍摄时的自动对焦能力。

旁轴平视式：延续了传统旁轴取景方式，取景器和拍摄镜头的光路相互独立（图1-7），对近距离物体拍摄存在视差，但不存在快门开启时滞，当拍摄距离较近（1m左右）时，相机应向上微微翘起。全画幅数码旁轴取景相机有徕卡M9、ME、M和M-MONOCHROM等款式；APS-C中有徕卡M8.2、M8。

富士微单X100推出了一种类似旁轴的光学（OVF）/电子（EVF）混合式取景器，并在X-Pro 1中延续。两种方式可以切换，但OVF没有传统旁轴的联动测距对焦，手动对焦参考取景视窗下方的焦距尺和景深尺，或按下AFL/AEL按键实现自动对焦；也可按下十字键域中央的按键，切换到EVF模式，图像放大五倍，进行精确对焦。

机背液晶屏取景式：常见于微单数码相机，由于省略了反光镜与五棱镜，机身体积小巧，同时机背液晶屏加大，直接显示镜头所见画面。一些单反数码相机也具有这种功能，按下实时取景按键，即可在机背液晶屏上见到所取画面，但存在较明显的时滞。

2．对焦装置

对焦装置一直是照相机的重要部件。传统机械相机采用手动调节聚焦，现代相机，尤其是数码相机，则在保留手调聚焦的同时，均具有自动对焦功能，且对焦速度越来越快，精度越来越高。

现代相机的AF功能，可以分为两大类型：主动式聚焦和被动式聚焦。主动式聚焦系统由相机发射出一束红外光射向被摄体，并接受从被摄体反射回来的光束，测定距离，确定对焦点。传统的胶片傻瓜机绝大部分采用的是主动式聚焦，便携式数码卡片机中的中高档机采用的是混合式，而现代数码单反相机几乎全都采用被动式聚焦。被动式聚焦装置具有独立的对焦系统，检测器件采用聚焦精度很高的相位检测传感器，有单线形（1条对焦传感器）、双线形（2条对焦传感器平行放置）、十字形（2条对焦传感器呈“十”字交叉放置）等不同类型，并有多点十字和中央双十字多点等多种。如尼康51点自动对焦系统，中央部分15个是十字对焦点；佳能7D的19点十字形加中心双十字形对焦传感器；佳能入门级数码单反相机的9点自动对焦系统，中心点双十字加横向对焦传感器，其余8点为纵向对焦传感器；佳能1D X的61点自动对焦系统，包含有41个十字形对焦点，其中中心及上下各2点为双十字形对焦，剩余20个为纵向线型对焦传感器。一些单反相机的反光镜上还可以看到多个对焦点。

索尼微单NEX5R和NEX6采用“相位/对比度检测系统”，直接在CMOS影像传感器上加入了多达99点的相位检测对焦系统，这一通过相位检测和反差对焦相结合的混合对焦系统，一定程度上提升了NEX系列在对焦方面的能力。

3．快门

快门是照相机的重要结构部件，是控制镜头进光时间的一个装置。有两种结构形式：中心镜间快门和帘幕式快门。中心镜间快门在镜头上，由多片金属薄片搭组成光阑构成，快门由中心向四周开启，然后再回复到中间关闭，在开、闭的过程中，整张底片同时曝光（图1-8）。有的645中画幅数码相机使用中心镜间快门，如哈苏HD系列。

帘幕式快门在机身上，贴近感光片的放置平面，也叫焦点平面式快门。35mm数码单反相机常用的是纵走式钢片电子快门（图1-9），是帘幕快门中的一种，由驱动马达、控制电路和前、后帘幕组成，开启时，前帘幕启动拉开，形成一定缝隙后，后帘幕跟上，在一定的时间内，缝隙扫过快门窗框，走完全行程。缝隙的宽度与扫过的时间，构成了快门后图像感应器上每一个像素获得光照的时间，这就是快门速度。快门速度以秒为单位，以1/3或1/2的级差递进（增减），可以通过机身外部的调节拨盘和辅助按钮加以设置调整。

快门速度由一系列数字表示，1、2、4、8、15、30、60、125 …，实际的快门时间是这些数值的倒数，单位是秒，如“4”是1/4秒，“125”是1/125秒。因此，数字越大，快门速度就越快。各相邻数值之间，相差一级快门速度，进光量则相差2倍。数码相机的快门由机身上的调节盘调节，快门速度值在机顶液晶屏显示，取景屏和机背液晶屏中也有显示。镜间快门的曝光过程是光阑的启闭，其动作过程比较慢，最高的快门速度只能达到1/800秒；而帘幕式快门是通过缝隙扫描来对感光片实施曝光的（图1-10），快门速度相对可以提得较快，横走式帘幕快门的速度一般均可达1/2000秒，纵走式快门行程短，常见的数码单反相机可达1/4000秒，高档的达到1/8000秒，最高可达1/12000秒，且挡光性能好，耐磨，时控较准，开启次数可达30万次，连拍可高达12张/秒。

4．图像传感器

数码相机的成像过程是经镜头进入相机的光线，由半导体图像感应器感受后，产生电信号，经放大后转换成数字信号，再传入图像处理器进行处理，最后存入存储器。

（1）图像感应器件的种类：图像传感器是数码相机获取图片的主要元器件，体积非常小，但作用很大，现在数码相机使用的图像传感器主要有两种，CCD和CMOS芯片，另一种是使用较少的Foveon×3。

CCD图像传感器（电荷藕合器）是一种半导体电子器件,它由许多独立的光电二极管排成列阵。CCD电子器件的问世已有40多年的历史，工艺成熟，成像质量比较好，但耗电量大，价格昂贵，除少数品牌相机还在使用外，绝大多数相机已转向使用CMOS芯片了。

CMOS图像传感器（互补金属氧化物半导体）体积小，常与信号处理电路整合在一起做成一个芯片，省电，制造难度低，在价格上比CCD有更大的优势。早期的CMOS信噪比低，成像质量也不如CCD，随着CMOS传感器技术发展日趋成熟，尤其一些大型CMOS通过采用降噪技术、完全像素转移技术和片上模拟处理技术，极大地减少了CMOS存在的噪声，提高了信噪比并实现了高速信号读取，从而使CMOS影像品质达到了制造高档数码相机的要求。与CCD相比，现在的CMOS具有更高的信号处理能力和分辨率，且成本更低，耗电量只需CCD的三分之一，CMOS已成为厂商应用较多的影像传感器，许多35mm的全画幅数码单反相机，都使用CMOS芯片作图像传感器（图1-11、图1-12）。

由美国Foveon（斐文）公司推出的Foveon×3是一种新型的CMOS传感器。Foveon公司利用红、绿和蓝色光能进入硅片中不同深度的现象，设计了完全新型的影像传感器。Foveon×3传感器将3层各自独立的光电探测器嵌入硅片，每层捕获不同的色彩，使单个传感器同时感受和记录红、绿、蓝三种色光，并精确成像（图1-13）。这样传感器上所有的像素都能计量全彩色，结果比传统传感器捕获多3倍的色彩数据，而且这是真色彩信息。

（2）图像传感器构件：数码相机的核心装置，包括图像感应芯片、彩色滤光片阵列、微透镜、保护玻璃、光学低通滤镜、红外滤镜、固定支架、密封条以及散热装置等（图1-14）。

图像传感器是色盲（Foveon×3除外），它们只能分析影像亮度的差别，而无法辨别色彩，所以必须在传感器的每个像素上设置一个微型单色滤镜，分红、绿、蓝三种，它们的比例是绿滤镜占50%，红滤镜和蓝滤镜各占25%，由此感应不同色光的强弱，产生对应的电荷，再经过A/D转换器转换成数字信号，每个数字对应一个像素点的色彩与明暗，上千万个像素点集合构成一张高素质的照片。常见图像感应器上的RGB滤镜都是按正方形有规律地排列的，当这种有规律的排列与被摄物的图案出现尺寸、分布等接近同步时，如有细密纹路、格子点或点状的衬衣、毛衣、皮包甚至较远距离房屋墙面排列整齐的瓷砖贴面，便会在图像上生成摩尔条纹和伪色，这时候低通滤镜可以减少或消除摩尔条纹和伪色。但低通滤镜会影响图像的清晰度，削弱立体感，所以当CCD芯片的像素数增加，像素尺寸变得极小，与被摄物产生干涉的可能性下降，于是一些高像素的相机便取消了低通滤镜，使得图像质量得到了提高，那些可能出现的摩尔条纹，也交给软件后期修正。富士相机的新彩色滤光片采用了无规则排列，可以有效地减少和避免摩尔条纹和伪色的产生，而Foveon×3不需要彩色滤光片，因此这类相机就不需配备低通滤镜。

有的品牌相机还在图像感应器构件上添加了超声波除尘装置和机身防抖装置，以进一步提高成像质量（图1-15）。

（3）图像感应器件的成像因素：影响图像感应器件成像质量的主要因素有4个：像素数、面积、动态范围和色彩深度。

①像素数　这是标志数码相机质量档次的一个重要指标。像素数高，表示拍摄的图片幅面大，成像画质好，像素数低则相反。目前入门级数码单反相机的像素数，已经达到了1600万，有的达到2300万，中档机与准专业机都达到2200万，35mm全画幅相机也在1800万～3600万；而数码后背的像素数更是高达6500万，个别的甚至达到2亿以上。

像素数与照片尺寸的关系见下表：

②感光器件面积　图像感应器的尺寸，也是影响图像质量的一个重要因数，一般人不太注意。其实，在像素数相等的情况下，图像感应器的尺寸越大，受光面积就越大，单个像素的尺寸也越大，于是噪点就小，各像素间的干扰也小，可以记录更多的图像细节，成像质量也越好。目前感光器件的面积存在着这么几种规格与尺寸：消费级民用机使用较多是2/3（8.8mm×6.6mm）和1/1.8英寸（7.18mm×5.32mm）等规格，单反相机的芯片尺寸较大，有4/3英寸（17.4mm×13.1mm）、APS-C（22.7mm×15.1mm）和APS-H（28.7mm×19.1mm），以及相当于35mm胶片面积的全画幅（24mm×36mm、23.5mm×35mm）和120胶片面积6×4.5的中画幅（36mm×48mm 和36.7mm× 49.0 mm）。具体尺寸比例见图1-17。

APS-C幅面是常见数码单反相机的传感器面积，由于面积小于35mm胶片尺寸，接驳传统135相机镜头后，镜头视角变小、焦距变长，焦长会因传感器面积的大小不同而出现差异，倍率从1.3倍到1.7倍不等。其中APS-H幅面的镜头倍率为1.3倍；APS-C幅面的镜头倍率为1.6倍；尼康的DX幅面镜头倍率为1.5倍。

③动态范围　动态范围是指照片能容纳的灰度级别和色彩数量。动态范围大，图片明、暗部位的层次和级别就多；动态范围小，亮部与暗部的色彩、层次记录不全，往往顾此失彼。数码相机的动态范围与图像传感器的面积有着直接的联系，一般尺寸小的图像传感器动态范围都比较小，要获得较大的动态范围，就要增大图像传感器的尺寸，而大尺寸的图像传感器价格比较贵。

④色彩深度　也称色彩位，是指用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位，高档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位，还有的达到48位。24位的感光器件，感光单元能记录的光亮度值最多有28=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录256×256×256约1677万种色彩。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有212=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩达4096×4096×4096约68.7亿种。譬如某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用24位感光器件的数码相机来拍摄，如果按低光部位曝光，那么凡是亮度高于256倍的部位，都曝光过度，层次损失，形成亮斑；如果按高光部位曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

5．机内测光系统

机内测光系统是确保获得准确曝光的测定装置，由光敏元件和电子器件构成，光敏元件的位置常在机顶的取景目镜附近及反光镜的下部（图1-16）。处在机顶的测光装置，常用于拍摄前的测定，半按快门按钮时，测光触电接通，光敏元件感受到由镜头进入的光亮，由电子微处理器进行数据处理，给出一定的指示，并通过外部拨盘和按钮，调节改变相应的装置（光圈、快门速度、曝光补偿值、感光度等），获得准确的曝光量。而处于反光镜下的测光装置，除拍摄前的测定外，有的还可以在反光镜上升、快门打开的同时，获得图像感应器表面的反光，进行实时测光，这对于自动曝光模式下的准确控制曝光非常有效。

6．其他部件

机身内部还有许多装置与部件，如电池仓、存储卡插槽、感光器件的除尘装置，以及控制自动对焦、白平衡和图像处理器的电子线路板，有的中低档数码相机还有内置电子闪光灯和外接闪光等连接线路。

数码相机的外部结构，我们将结合数码相机的调节再作逐步介绍。

电池：各品牌款式的数码相机配有不同体积和外形的电池，是数码相机工作动力的唯一来源，现在以锂电池居多。

储存卡：存储卡是用来存储数码图像的介质，是一种半导体器件，体积小，耗电省，数据存取速度快，保存性好。它不影响最终图像形成的质量，但影响拍摄和生成的速度。随着数码科技的发展，存储卡的容量和性能有了很大的提高。常见的类型有CF卡、SD卡和索尼的记忆棒等，品牌有闪迪（San Disk）、雷克沙（Lexar）、金士顿（Kingston）等。容量有64G、32G、16G、8G、4G、2G等，常见的是8G、16G，拍摄视频可配用32G。存取速度从30M/s、60 M/s到90 M/s、110 M/s不等。

此外，高档数码相机的附件还有电子定位与传输装置，包括无线传输附件和GPS定位仪等。