数码相机的构成与原理解析

数码相机是由镜头、图像传感器、A/D（模/数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成，其结构示意图如图9-43所示。

图9-43 数码相机结构示意图

数码相机中只有镜头的作用与普通相机相同，它将光线会聚到感光器件CCD（电荷耦合器件）上。CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置，它的功能是把光信号转变为电信号。这样，我们就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数宇信号的转换，ADC（模数转换器）器件用来执行这项工作。接下来MPU（微处理器）对数宇信号进行压缩并转化为特定的图像格式，如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器中。至此，数码相机的主要工作已经完成，剩下要做的是通过LCD（液晶显示器）查看拍摄到的照片。有一些数码相机为扩大存储容量而使用可移动存储器，如PC卡或者软盘。此外，还提供了连接到计算机和电视机的接口。数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系。数码相机通过MPU（Microprocessor Unit）实现对各个操作的统一协调和控制。

1.镜头

数码相机有变焦镜头和定焦镜头之分，在数码相机应用的镜头中，其电子控制电路已经完全和数码相机的核心处理单元（微处理器）紧密地联系起来。

2.图像传感器

图像传感器是数码相机的核心部件，其质量决定了数码相机的成像质量。图像传感器的体积通常很小，但却包含了几十万乃至上千万个具有感光特性的二极管——光敏二极管，每个光敏二极管即为一个像素。当有光线照射时，这些光敏二极管就会产生电荷累积，光线越多，电荷积累的就越多，然后这些积累的电荷就会被转换成相应的图像数据。

目前用于数码相机的图像传感器有两种：一种为电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）；另一种为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semicon-ductor，CMOS）。从信息的读取方式上看，CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单；从速度上看，CCD需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢，而CMOS采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多；从电源及耗电量上看，CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大，而CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量很小，仅为CCD的1/8～1/10；从成像质量上看，CCD制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO₂）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年来，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

3.A/D转换器

A/D转换器即模拟数宇转换器（Analog Digital Converter，ADC）。A/D转换器有两个重要指标：转换速度和量化精度。由于数码相机系统中高分辨率图像的像素数量庞大，因此对转换速度要求很高。同时，量化精度对应于A/D转换器将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级，这个等级就是数码相机的色彩深度。对于具有数宇化传输接口的图像传感器（如CMOS），则不需要A/D转换器。(www.xing528.com)

4.MPU（微处理器）

数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系，数码相机通过MPU（Microprocessor Unit）实现对各个操作的统一协调和控制。MPU通过对CCD感光强弱程度的分析，调节光圈和快门，又可通过机械或电子控制调节曝光。一般数码相机采用的微处理器模块的系统结构如图9-44所示，包括图像传感器数据处理DSP、SRAM控制器、显示控制器、JPEG编码器、USB等接口控制器、运算处理单音频接口（非通用模块）和图像传感器时钟生成器等功能模块。

5.存储设备

数码相机的存储器是用于保存数宇图像数据。存储器可以分为内置存储器和可移动存储器（或称为外置存储器），内置存储器为半导体存储器（芯片），用于临时存储图像。早期数码相机多采用内置存储器，而新近开发的数码相机更多地使用了可移动存储器。这些可移动存储器通常是3.5in软盘、PC（PCMCI A）卡、Compact Flash卡、Smart Media卡、CD盘片、Micro Drive、Memory Stick及Click等中的一种。

6.LCD（液晶显示器）

LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示屏有三个作用：电子取景器、图片显示和功能菜单显示。LCD分为两类，即DSTN LCD（双扫扭曲向列液晶显示器）和TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器）。数码相机中多数采用TFT LCD。

7.输入输出接口

数码相机的输入输出接口主要有图像数据存储扩展设备接口、计算机通信接口和连接电视机的视频接口。图像数据存储扩展设备接口主要用于如前所述的存储设备的数据交互。常用的计算机通信接口有串行接口、并行接口、USB接口和SCSI接口。

图9-44 微处理器模块的系统结构