照相机

照相机是通过镜头将被摄物体的影像记录在感光体或存贮媒体上的装置，是拥有镜头成像机能的器械总称。

春秋战国时代，墨子发现小孔成像，并证明了光是沿直线传播。

阿拉伯物理学家阿尔哈赞在公元1000年开始研究黑盒子，记录下了小孔大小和形状的变化会对所获得的影像效果产生影响，孔越小，成像倒影越清晰，反之则越模糊。

1550年意大利卡尔达诺首先使用凸透镜取代小孔，且观看到清晰影像。意大利波尔塔成功把小孔成像应用到了黑盒中。1657年德国数学家萧特改造暗箱，通过两个箱子合成一个大箱子，通过箱子伸缩调节焦点。

文艺复兴的历史环境下激活了人对真实的追求，透视技术和写实技法相互结合实现了现实景物描绘的第一步。画家丢勒在实践下发明了“透视窗”，自此热爱科学研究的人们开始了照相机的研究和发展。17、18世纪的许多欧洲画家用暗箱柜辅助他们绘制景物，因此，未成形的照相机采取了箱制造型。当时图像的绘制还是主要以绘画为主，相机没有获得真正意义上的记录革新作用，而装饰功能被视为必要功能。

19世纪前夕，英国陶工儿子托马斯·韦奇伍德将不透明的树叶放在涂有硝酸银的皮革上，然后放置在太阳下暴晒来制作照片，他发现皮革上未被树叶覆盖的地方变黑，树叶遮盖部分没有变化。树叶在皮革上留下白色影子的实验第一次证明了光可以直接在某些物质上“画”出景物影像。

照相机发明于19世纪，1793年起，法国人尼埃普斯发现在阿拉伯产出的一张白色沥青可以在油性溶剂液中溶化成一种漆状物并在阳光下暴晒会逐渐硬化，1822年，他把这种溶化了的白色沥青涂在金属板上并放置于暗箱中，对着阳光下的物体进行曝光数小时，再取出金属板沁入薰衣草有溶剂中，未曝光的沥青被溶化而洗去，硬化后的沥青形成白色景物正影像。他把这种用日光将影像永久记录在玻璃和金属板上的摄影方法称作“日光蚀刻法”，1827 年他用这个方法拍摄了一张名为《窗外风光》的照片，这张照片模糊不清，曝光时间长达8小时，但这种摄影装置并不能称之为真正意义的相机。

1833年法国画家达盖尔继续在尼埃普斯的基础上深入研究，他把附着在铜板表面的碘化银作为感光材料，缩短了20分钟曝光时间，但仍然无法拍摄人像，后来他采用氯化钠溶液作为定影液，使得拍摄照片恒定不变。1837年，达盖尔偶然发现水银可以固定影像并在金属板上获得永久且鲜明的影像，他把这一过程命名为达盖尔铜板摄影术。1839年，他制造出了第一台达盖尔照相机，达盖尔照相机由镜头、光圈、快门、取景器和暗盒组成，用镜头可以控制焦距，光圈控制光通量，用快门控制曝光时间，曝光时间以分计算，其余部分和现代照相机作用相同。

1834年英国科学家福克斯·塔尔伯特（Henry Fox Talbot）想记录与妻子在意大利旅游的时光，但因为不会绘画而放弃，1835年，塔尔伯特想出了氯化银使纸张感光的办法，1839年初他加快了实验的步伐，1841年他为自己发明的卡罗版摄影术申请专利。与达盖尔版照片不同，卡罗版摄影术首先得到的是一张底片，理论上可以通过复制出无数张照片。

1840年达盖尔发明了熏蒸氯气银版显像使得曝光时间再次缩短，不久后，欧洲出现了一种新兴行业。

1841年德国光学家沃哥兰德研制出第一台带有Pitzvar镜头的金属照相机。

1839年后照相机传入中国，19世纪中叶，中国的大城市和贸易港口有了照相馆，曝光时间已经缩短到秒或十分之一秒的数量级。20世纪中叶，城市照相馆依然使用着需要用三脚架支撑机箱，机箱用黑红两色遮光布罩住，前面露出摄像头的达盖尔照相机。

1845年德国人马腾斯发明了摇摄150度的转机，可以将站在弧形摄影台上的几百人都收入镜头，广角镜头视场角也达到了150度，但因为球面像差，照片容易变形。

1847年，欧洲人发明了用玻璃版代替银铜合金板的“玻板照相术”，中国科学家邹伯奇则用“光药水”和“鸡蛋胶”发明了玻板照相术。

英国雕刻家阿查发明湿版感光技术，1856年诺雷斯发明干板感光技术，这两种技术的出现把照相机机身体积相对缩小了。

照相机制造水平要提高，镜头是一个至关重要的一环。19世纪60年代，德国蔡司公司发明了纯度高、折射率低的光学钡冕玻璃，并把这种玻璃制造称了正光摄影镜头。1902年蔡司公司有发明了四片四组的天塞镜头，最大光圈达到f/6.3。1930年，蔡司公司制造出拥有稀土元素镧的光学玻璃的天塞镜头，将最大光圈扩大到f/2.8。

1861年，世界上第一张彩色照片出现。它对三原色设置了不同的感光层，使得胶片技术得到了提升，但没有的得到及时的普及。中国改革开放后，彩色照片开始风靡全国。

1888年，美国柯达公司的伊斯曼发明了用卤化银乳剂均匀涂抹在明胶基片上的感光材料——胶卷，并制造出了使用胶卷的柯达1号照相机。

1906年，美国乔治希拉斯首次使用自制的闪光灯装置拍摄了一张《夜间的鹿》。

1913年，德国照相机设计家奥斯卡巴纳克制造出世界上第一台135莱卡相机，在柯达发明的胶卷基础上制定了一个尺寸标准，使得每张照片底板尺寸都为24×36毫米。这一小小的改变使得莱卡相机在上流社会和知识阶层得到普及。

1928年，德国福朗柯·海德柯公司制造出了双镜头反光式照相机，这种照相机上面是取景镜头，下面是照相镜头，相机使用6厘米宽的120胶卷，每个胶卷可拍摄12张6×6厘米或8张6 ×9厘米或16 张6 ×4.5厘米的照片，但这种镜头拍摄存在上下视差，在20世纪80年代退出市场。

1935年，单反相机研发成功，相机使用一次性35毫米的胶卷，也称135胶卷。单反的镜头即使取景镜头也是摄影镜头，此时的相机已经基本消除了视差还可以更换镜头。同年4月15日，柯达成功研究出彩色胶卷。德国的爱克发公司也成功研究出了三补色快速程序法，实现了彩色摄影冲印彩色照片一次完成。

第二次世界大战后，照相机结构上出现了通过按钮和手柄形态设计的操作方式。

20世纪80年代，随着135彩色胶卷的普及和“傻瓜相机”的出现。因其使用简单，方便携带，价格便宜而受到大众欢迎，柯达、富士等胶卷行业收获颇丰，彩色冲印行业也得到发展。

1975年，美国柯达公司发明了世界上首台数码相机，这台相机只有1万像素，曝光时间只需23秒，该相机是出于实验室阶段的一项发明。1991年，柯达制造出了一台能正常使用且拥有130万像素单反数码相机，这个相机的出现揭开了数码相机的序幕。

数码相机兴起之初，市场上大多是卡片相机，直到新世纪开始，数码单反相机才取代胶片单反相机，2002年柯达上市的入门级专业单反佳能 EOS10D的有效像素最早突破1000万，2005至2016年有效像素从1280万发展到3040万，数码单反机制制造技术紧跟时代在不断发展。

2010年，索尼为解决照相机机身和镜头导致的携带不便问题发布了微单反相机，但没有流行开来。

2017年背照式传感器开始在专业的全画幅机中运用，背照式传感器可以提高单个像素的进光量，还能减少干扰，从而提升画质。背照式传感器的电子元件位于底层，提供了充足的设计空间，还能加入更多的电路设计，让传感器具备处理和缓存的能力。

2022年数码相机技术上延续了堆栈式CMOS、高性能处理器、AI检测技术等趋势。高速堆栈式传感器可以在对焦、视频帧率、EVF帧率、果冻效应等方面对相机进行提升，而高性能的处理器可以进一步加强AI能力，人工智能可以实现拍摄对象自动对焦，视频方面，处理器支持多种编解码。人工智能的应用使得相机可以增加多个被摄体，还可以应用到火车、飞机、飞鸟等多个领域，索尼还新增了昆虫识别功能。

最早的照相机结构包括暗箱、镜头和感光材料。照相机发展到现代，结构变得比较复杂，拥有了镜头、快门、光圈、测距、取景、测光、输片、计数、自拍、对焦和变焦的系统，成为了结合电子技术和化学、光学、精密机械等技术的复杂产品。现代照相机的雏形达盖尔相机用镜头控制焦距，使得成像清晰，光圈控制透光量，分为4、11、16三档，用快门控制曝光时间，取景器用于取景，暗盒则放置感光材料。传统相机使用由银盐感光材料制成的胶卷，胶卷感光时形成以卤化银为中心的潜影，再经过冲洗形成影像，而感光材料是照相机的根本，直到数码相机普及之前，感光材料一直是卤化银。

达盖尔照相机

数码相机由镜头、CCD、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)等组成，一般都安装在内部，一些数码相机的液晶显示器还可以与相机机身分离。

镜头系统结构从镜头前面看是镜头保护玻璃、光学低通滤光器、透镜部件、红外截止滤光器以及CCD影像传感器和CCD保护玻璃等，快门则放在透光部件的中间或前面，且可与光圈合用。

镜头

CCD技术取代胶卷成为数码相机的关键技术，它的分辨率是分辨数码相机档次的重要依据。CCD把光信号转换成电信号，在一定的CCD面积内，像素越多，需要把光信号转化为电信号的像素单元也就越多。光学上以黑白线作为线对，依据在1mm长度上能分开多少线对作为分辨率大小的度量标准。

透光部件是为了能在CCD面上成像，由于透镜具有球差、色差等特性，其特性会影像成像的质量，为解决这个问题，在镜头设计中多采用不同材料、不同曲率的透镜来消除或减轻影响，也可以用非球面透镜，随着样板加工技术的发展，塑料或玻璃的非球面在镜头中的应用增多。相机的镜头组件可由许多独立的磨光玻璃元件组成或透明塑料压制而成，其功能是将光线汇聚到感光面上，而数码相机的透光部件则是将光线汇聚到CCD或CMOS图像传感器上。

镜头最主要的特性指标是焦距值，焦距决定了视角的条件是成像尺寸。在传统相机术语中，标准镜头的焦距大于底片的对角线，35mm 标准相机使用的是 24mm × 36mm 的底片，焦距大约43mm，而数码相机的成像尺寸小于这个值的两倍甚至更多，所以数码相机的标准镜头的焦距和体积都比标准胶片相机小得多。在成像尺寸变小焦距也变小的情况下，就有可能得到与普通相机相同的视角。

低通滤光器是为了防止CCD传感器因为像素间隔产生伪色及波纹。数码相机采用水晶等光学折射特性截去高频部分的办法来实现低通滤光器的功能。CCD对红外线敏感，增加红外截止滤光器可以提高成像质量。

模拟数字转换器是将模拟光信号转换成模拟电信号。数码相机使用的图像传感器一般是CCD或CMOS两种。

传感器

CCD是由纵横排列可最多达百万个的广电二极管和译码寻址电路组成。当光线通过镜头汇聚成像在CCD上时，每个光电二极管会因接收到光强的多少而耦合出不同数量的电荷，通过译码电路可以取得的每个光电二极管上耦合出的电荷，从而形成电流，该电流经过A/D转换形成一个二进制数字量，该数字即对应一个像素点，实际二极管数量大于照片像素点数量，上百万像素点数字量的集合构成数字照片。CCD的像素和面积决定了画质，像素越多，面积越大，图像质量越好。CCD从结构原理上分为线性和阵列两种，使用线性CCD必须在光线充足的地方且无法使用闪光灯，阵列CCD包含一个光敏元件矩阵，矩阵中每个元件代表了图像中的一个像素，矩阵中像素越多，获得的图像分辨率就越好。为获得彩色的图像，光线必须在达到CCD前经过一组彩色滤波器，每个滤波器可以分离出红、绿、蓝三原色中的一色组成彩色图像。线性CCD可采用3行滤波器镶嵌在CCD上处理彩色，阵列CCD则可以采用将彩色滤波器嵌在CCD矩阵中，使用相机内部的微处理器去捕捉像素信号并与最接近它的相同颜色点作平均，最后对中间点进行估算。或者是采用三棱镜。

CMOS与CCD相比，很容易和数字信号处理、A/D电路集成在一起，CMOS不仅生产成本低、成品率高，还能有效降低功耗。CMOS可以完成数模转换、白平衡处理、负载信号处理和相机控制等功能。

模/数转换器（A/D）是将模拟信号转换成数字信号，该转换器可应用于温度运动或其他连续变化状态的实时监控，其作用是将图像传感器得到的模拟信号转换成数字信号，并传送到图像处理单元。

数码相机通过微处理器实现对测光、运算、曝光等操作的统一协调和控制，数码相机的曝光控制分为手动和自动，手动曝光是由摄影者自己调节光圈大小、快门速度。自动曝光方式分为程序式自动曝光、光圈优先式曝光和快门优先式曝光。微处理器通过对CCD感光强弱的分析调节光圈和快门，最后通过机械或电子控制调节曝光。

存储器分为内置存储器和可移动存储器，内置存储器为半导体存储器，安装在相机内部，用于临时存储图像，计算机传送图像时需要通过串行接口等接口。数码相机更多使用移动存储器，移动存储器可以是 3.5 英寸软盘、 PC ( PCMCIA )卡、 Compact Flash 卡、 SmartMedia 卡等。PC卡可以直接插入电脑的PC插口， Compact Flash 卡配备专门的PCMCIA转换卡，笔记本用户可直接再相应卡槽上使用， SmartMedia 卡则不能直接插入计算机和PC 卡读取器，必须装入一个转换器才能使用。存储器保存图片的量取决于存储器的容量及图片的质量和图片的大小，图像质量越高，文件越大，所需存储容量就越多。

移动存储器

液晶显示屏是用于取景或是浏览拍摄到的图像的一种器具。液晶是液态晶体的简称。液晶显示屏与其他显示器比，具有工作时电压低、体积小、功耗低等优点，显示的信息量大且能直接和CMOS集成电路相匹配。液晶显示屏中的液晶分子在同一平面像百叶窗条整齐排列，分子的向列从一个平面到另一个平面过渡时会逐渐扭转90°，即扭曲后的液晶可以将入射光偏振方向扭转90°，当光摄入时，透过的光经过玻璃、透明电极而通过液晶材料时，极化方向扭转90°，扭射后入射光通过下极化器被反射器反射回来，呈现出透明的“亮”显示。当在电极板之间加入一个电场时，液晶分子在每个平面上的方向与外界电场的方向一致，此时光线就无法通过下极板照到反射器上，从而呈现出不透明的“暗”。因此制作液晶显示屏只需要在两块玻璃间夹些液晶，再装两块透明的电极。但这样做还存在着一些问题，直到TFT出现将切换速度缓慢的液晶材料推进到了视频领域。

显示屏

数码相机使用的液晶显示屏与笔记本电脑的液晶显示屏工作原理相同，从种类上分为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)，与 DSTN 相比， TFT 亮度更高，从各个角度观看都可以得到清晰的画面，因此数码相机中大都采用 TFT液晶显示屏。 液晶显示屏的作用有三个，一为取景、二为显示、三为显示功能菜单。

数码相机的输出控制单元提高图像输出的界面，也就是连接端口。数码相机的输出接口主要有计算机通讯接口、连接电视机的视频接口和连接打印机的接口。常用的计算机通讯接口有串行接口、并行接口、 USB 接口和 SCSI 接口。

接口

高速SCSI接口需要用配置的电缆将数码相机和计算机的端口相连，再运行相应的软件就可以将数码相机中的影像传输到计算机中。串行接口大多数码相机上都有且连结简单，但传输速率较低。USB使照片的传送和下载的速度比串行接口的方式要更快。若要使用红外线接口需要安装计算机对应的接收器和驱动程序。软盘是比较常见且经济实惠的存储介质，有些数码相机就使用软盘为存储介质。

数码相机结构原理图

照相机是利用光的直线传播以及光的反射和折射，把光为载体，将被摄物的光信息量和能量形式等通过镜头传递给感光材料，形成人眼可视的影像。即照相机通过凸透镜对光线的汇聚作用，在物距大于二倍焦距的时候形成缩小且倒立的实像。照相机的镜头是凸透镜，底片充当光屏，暗盒的长度为像距，被摄物到镜头的距离为物距。

从外部结构向内部结构分析，首先就是镜片上的镀膜，镀膜的出现是为了解决镜头受到物理因素影像产生的像差。为增加镜头的透光性，可镀增透膜或减反膜。若没有镀膜的存在，反射造成的光损失会达到45%-90%，拍摄会容易产生“鬼影”，有了镀膜能有效地减少光的衰减，且还不会出现逆光光雾。其光学原理是把光当作一种波，光波是机械波具有一定的干涉性，镜头上涂上膜可以使更多的光通过镜头，从而减少光对影像的影响。

镜头内部的结构就是镜头的构造，镜头是成像的光学系统，由系列光学镜片和镜筒组成，每个镜头都有焦距及相对口径这两个特定数据。

按下快门时，镜头将光线汇聚到感光材料电荷耦合元件（CCD）上，CCD在其中充当胶卷的作用，将光信号转变成电信号，从而得到被摄物的电子图像，模数转换器将模拟信号转换成数字信号，微处理器（MPU）再将数字信号进行压缩并转换为特定的图像格式，这样图像就可以存储在内置存储器中，实现连接各类显示器。

按照相机镜头的焦距或视觉角度划分，分为标准镜头、长焦及短焦等镜头。

光穿过凸透镜时，凸透镜主轴上产生的焦点到凸透镜光心的距离就是焦距，焦距的长度与成像的对角线就是标准镜头，变焦镜头焦距可调节。