數位相機的攝影原理為何?

與傳統相機一樣嗎?



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*數位相機提供了許多花俏的附加功能,但最重要的還是照片的品質,而最新的產品在這方面已經 有了顯著的進步。

數位相機並不是利用底片感光,而是讓光線聚在電荷耦合裝置(charge-coupled device),也就是俗 稱的CCD上。這種以矩陣方式排列的半導體,是由許多稱為像素的微小感光元件所組成,可將光能轉 換成電荷。微處理器則將每一個像素裡的電荷轉換成數位訊號,並組成實景的影像。

然而,CCD偵測到光線的原理和肉眼不同。要拍出逼真的影像,取決於光線焦點、色彩校正以及 正確的白平衡。通常把鏡片曲率不是球形的非球面鏡片,置於球面鏡片之間以調整光線,讓焦點落在 像素上,用來改善影像清晰度。安置在像素前方的濾光片,可以確保處理顏色的演算法能產生逼真而 明亮的顏色。其他的演算法則會檢查入射光線波長的偏差值;這種偏差說明了為什麼在日光燈照射下 的顏色會偏綠,而在鎢絲燈的環境下則偏黃色。人腦遇到這種情形會自動調整,所以演算法在此時會 降低色調(tint),讓實景呈現出來的真實顏色及白平衡與我們所期待的相同。

最新的數位相機還解決了早期款式的問題。光學變焦是利用移動鏡片的方式來加以控制,但卻因 為要讓相機保持輕巧而受到限制;而數位變焦,則利用軟體處理的方式加強了變焦的範圍。而更快的 數位影像處理晶片也讓連拍速度(指相機連續拍攝照片的速度)的時間間隔少於1.5秒。

快門延遲速度(按下快門到相機快門真正打開的時間差),主要是為了加快自動對焦的速度,也 已縮短到少於半秒。美國柯達伊士曼公司新事業發展部的經理海倫貝克(Gary Hallenbeck)說:「早期 有很多人拍到的照片都是自己的鞋子。」因為他們以為按下快門就算拍好了,於是在快門還沒打開前 就把相機放下來了。

◆百萬像素的極限:所謂解析度400萬像素的相機,意思是說CCD上面有400萬個像素。而只要解 析度越高,相片就會越清楚。柯達的海倫貝克說:「但是目前一般普通鏡頭的解析度,還無法超過600 或800萬像素」。所以,市面上宣稱解析度高達1000萬或1200萬像素的消費型相機,其實不會真的讓整 張照片看起來更清楚。但是,較高像素的確有助於影像在數位變焦時拍出較為清晰的影像。

◆縮圖: 大部份的數位相機是將「相片」儲存為jpeg格式,這是種廣泛使用在電腦與網路上的圖像標準。而你 在相機液晶螢幕上所看到的,是相片的「縮圖」。通常縮圖包含15萬位元組左右的資料,即150K大小 的檔案。

◆快速對焦:為了要能自動對焦,許多相機都利用安置在機身外部的CCD來偵測環境光。處理器 首先計算CCD上面的電荷,並以三角測距的方法來測量距離。然後鏡片前後移動,並重複之前的步驟 ,直到電荷數目達到最高,並通過最高值(請想像正弦波的最高點)。此時鏡片就固定在這個可以取 得最多電荷的位置,接著快門打開,處理器再利用從記錄影像的主要CCD取樣得到的數值來微調焦距 。利用外部CCD偵測環境光的方式做概略的對焦,會比早期機種只用主要CCD取樣的方式,減少幾次 調整的時間,如此便可讓自動對焦速度加快。

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數位相機的鏡頭將光線聚在CCD上。這個裝置會將光能轉換成電荷資料,並送入緩衝區中。處理器則會讀取這些 資料,除去訊號的雜訊、修正顏色與白平衡,最後將處理好的數位影像存入內建的記憶體或是放在相 機內的記憶卡中。

檢視圖片色彩濾光片會 遮住CCD上的每一個畫素,讓CCD只記錄一種顏色。大多數的相機都使用左圖中的拜爾濾鏡排列樣式(Bayer filter pattern);而以綠色為主色的原因,是因為肉眼對綠光的波長最敏感。處理器將紅綠藍的訊號組合成全彩影像。新的低色散鏡片(見圖)則有助於減少因不同波長的些微焦距差異所造成的色差。








檢視圖片非球面鏡片( 右)放置在球面鏡片之間,用來修正影像的失真。球面鏡片遇到從鏡片邊緣平行射入的光線時,會難 以聚焦,而且不易讓光線集中在單一個點上,使得相片邊緣變得模糊(如圖解)。在這種情況下,第 一組鏡片會讓光線斜著進入第二組鏡片,後者會隨著調焦或縮放而前後移動。第二組鏡片讓光束變窄 ,射入第三組固定的鏡片,並直接照在CCD上。

檢視圖片數位變焦在光 學變焦的鏡片放大率調整到最大且移動到定位後,就會開始發揮作用。兩倍數位變焦時,處理器將原 圖裁成原來的1/2;四倍時,則裁成原來的1/4。然後將原來的畫素(A,B)放在大小和原來相同的格子 內,並且以內插法決定中間值 (AB) 的顏色。這種計算方式會降低影像的清晰度。

【本文出自科學人2005年4月號】
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參考資料
http://www.sciam.com.tw/circus/circusshow.asp?FDocNo=663&CL=9