数码相机的工作原理

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，几平全部是固定镜头(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。