1.1 数码相机概要和工作原理
数码相机各部分的名称及作用
数码相机的结构到底是什么样的，它又是怎么拍照片的呢？
这里，我们以可换镜头式数码相机为例介绍相机的基本工作原理和结构。可换镜头式数码相机又包括“单镜头反光式数码相机”（简称单反相机，图 1.1）和“无反光镜数码相机”（简称无反相机，现在多被称为微单相机，图 1.2）。这里我们以单反相机为例进行介绍。
图 1.1 单反相机示例
佳能 EOS 5D Mark Ⅳ
图 1.2 微单相机示例
索尼 _α_6000
单反相机主要由机身和镜头组成（图 1.3）。机身和镜头连接的部位称为镜头卡口，只要镜头卡口的规格相匹配，就可以随意切换使用（图 1.4）。
图 1.3 可换镜头式相机的机身和镜头
单反相机包括机身和镜头。镜头可以自由更换。连接相机机身和镜头的部分称为镜头卡口。
图 1.4 更换镜头
对于可换镜头式相机，只要镜头卡口的规格相匹配，就可以自由更换。图为佳能的 EF卡口镜头。
相机机身的主要部件和功能
单反相机结构的最大特点就是机器内部有反光镜和五棱镜（图 1.5 ~图 1.7）。正是这种结构，让我们可以通过相机背面的光学取景器观察镜头中的成像。
图 1.5 单反相机“佳能 EOS 5D”（正面）透视图
※ 主镜（反光镜）及反光镜箱、快门的剖面图。
资料来源：佳能
图 1.6 单反相机“佳能 EOS 5D”（背面）透视图
资料来源：佳能
图 1.7 单反相机的工作原理
※ 自动对焦传感器的位置和形状因机型而异。
※ 如果是专业机型，则可能没有配备内置闪光灯 1。
1 对高端的专业相机来说，内置闪光灯有时比较鸡肋。
被摄体的光通过镜头后所形成的影像，是通过图像传感器（感光元件）2 被存储为照片的（图 1.8 和图 1.9）。因此，相机的设计是要将进入镜头的光照射到图像传感器上，但如果不是正在存储图像，那么进入镜头的光也可以通过反光镜和五棱镜被折射到取景器。利用这样的结构，拍摄者就可以预先通过取景器确认即将拍摄的画面。
2 有些相机制造商也称之为影像传感器等。
图 1.8 单反相机的光路（拍摄前）
通过取景器可以看到被反光镜和五棱镜反射后的镜头中的影像。这样就可以预先通过取景器确认即将拍摄的画面，这是单反相机特有的结构特征。
图 1.9 单反相机的光路（拍摄时）
当按下快门时，反光镜升起，镜头中的影像被传送到图像传感器。图像传感器负责将接收的影像发送到影像处理器，以及将影像转换为图片并存储。
其实，胶片时代的单反相机就已经采用这种结构了。所谓“单”，指的是单镜头，即拍摄光路和取景光路共用一个镜头；而“反”指的是“反光镜”，用于在相机内把两个光路分开。
反光镜
观察单反相机的机身时，从镜头卡口向内部看，就可以看到反光镜（图 1.10）。没有拍摄时，光通过反光镜和机身上方的五棱镜进行反射；拍摄时，反光镜升起，光通过位于反光镜后面的快门到达图像传感器（图 1.11）。
图 1.10 单反相机的反光镜
左图是佳能 EOS-1D X Mark Ⅱ 的机身照片。取掉镜头后观察机身内部，就可以看到反光镜。一般看不到图像传感器（感光元件），因为它在反光镜的另一侧。
图 1.11 单反相机的图像传感器
左图也是佳能 EOS-1D X Mark Ⅱ 的机身照片，反光镜处于升起状态，在该状态下可以看到图像传感器（感光元件）。在进行拍摄时，机身内部就是像这样升起反光镜，使光通过镜头到达图像传感器的。这张照片是在清洁传感器时打开“手动清洁”模式后单反相机的状态。
当反光镜升起时，伴随着快门的咔嚓声，机身还会出现微小的抖动。
此外，包含反光镜的那部分区域有时称为反光镜箱。
五棱镜
五棱镜（屋顶型五棱镜）是安装在相机机身顶部的具有 7 个或 8 个面的棱镜（图 1.12）。它通过对反光镜反射的光进行折射，使人们可以从光学取景器看到图像。此时，它还具有把上下左右呈颠倒状态的倒立影像翻转过来的作用。
图 1.12 五棱镜
因为制造五棱镜的技术精度要求非常高，所以入门机型常用五面镜替代五棱镜。
资料来源：佳能
制作五棱镜需要的加工技术精度要求非常高，因此制造成本比较高。入门级单反相机中常用五面镜（屋顶型五面镜）代替五棱镜。它的性能会影响取景器的视野率和清晰度等（表 1.1）。
表 1.1 五棱镜 / 五面镜（以佳能 EOS 系列为例）
3 眼点（eye point）指的是能看到取景器内完整画面时，眼睛与取景器的最远距离。
机械快门
机械快门具有像窗帘一样遮光的作用，它只在拍摄的瞬间打开，让光传输到图像传感器上（图 1.13）。这个拍摄的瞬间就是快门速度或曝光时间。我们有时候需要采取通过长时间打开快门进行长时间曝光的拍摄方法。这种以机械的方式屏蔽光或控制透光量的机制称为机械快门。在数码相机中，还有使用电子快门的系统（详见 5.7 节）。
图 1.13 机械快门单元
上图是 EOS 5Ds 所采用的焦平面快门。旋转磁铁纵向式焦平面快门的设计非常耐用，该设计通过了总计 15 万次的快门测试。
资料来源：佳能
可以设置的最快快门速度因相机机型而异。如果是单反相机，通常能够设置的最快速度为 1/8000 秒，但也有 1/4000 秒的入门机型。
图像传感器（感光元件）
图像传感器是决定图像成像质量最重要的部件之一（图 1.14）。虽然根据产品说明书中的参数数值是无法判断照片画质好坏的，但通过图像传感器的尺寸、像素数、像素间距这 3 个值，我们可以推测图像传感器的性能（表 1.2）。它们的值越大，画质就越高。详细介绍请参照第 4 章中的相关内容。
图 1.14 图像传感器（感光元件）
图像传感器的大小和有效像素数会极大地影响画质。图为 EOS 5D Mark Ⅳ 的像素数约 3040 万的 35 mm 全画幅CMOS 图像传感器，这是目前数码单反中最大的图像传感器。
资料来源：佳能
下面我们以表 1.2 中的 5 个机型为例，根据它们规格表中记载的参数推断一下哪个机型的画质最好。
表 1.2 图像传感器（以尼康系列产品为例）
※ 尼康的全画幅称为 FX 格式，APS-C 画幅称为 DX 格式。
※ 有时产品说明书或规格表中并不会列出像素间距的大小。我们可以通过图像传感器的水平方向画幅长度 ÷ 水平方向像素数来计算像素间距（例如 D5 机型的分辨率为“5568 × 3712”（L），所以像素间距就是 35.9 ÷ 5568）。
其中 D5、D850 和 D810 这 3 款机型的图像传感器都为全画幅。这非常有利于产生高画质。在这 3 款机型中，像素数最大的是 D850，其次是 D810。这两款机型之间的像素间距也存在差异。虽然它们使用的图像传感器尺寸相同，但 D850 的像素排列更加紧密，与 D810 相比，像素间距更小。
而 D5 是尼康的专业级旗舰产品。D5 的像素数小于 D850，像素间距也更大。尽管要想看哪个机型的画质好，最终还需要对比实际拍出来的照片才能知道，但其实也可以通过像素数和像素间距等参数判断。像素数越多，画质就越精细，同时还要注意查看高像素所导致的像素间距变小有没有产生不好的影响。
除了图像传感器之外，影像处理器的性能也会影响画质（图 1.15）。因为最终成像是由图像传感器将接收的光信号转换成图像信息，再由影像处理器处理成照片的，所以图像处理软件的性能对画质也有极大影响。但对于这个影响，我们无法通过规格表中的参数判断。
图 1.15 影像处理器
图像传感器会将接收的光信号转换成图像信息，而图像信息最终会被发送到影像处理器中进行处理。影像处理器的性能与最终成像的质量密切相关。上图为 EOS 5D Mark Ⅳ 的影像处理器，该影像处理器名为 DiGiC 6 +。它采用了最新的降噪处理算法，而且静止图像实现了高达 32 000 的 ISO 感光度。影像处理器的处理性能与图像的噪点、ISO 感光度等息息相关。
资料来源：佳能
其实对于画质的高低，需要评估的方面有很多，比如分辨率、对比度、色调、色彩表现、动态范围和弱光拍摄等，所以还是要根据能否在自己最重视的场景中拍出满意的照片来判断。
液晶监视器
数码相机的一个很大优势就是在拍好照片后，可以立马通过液晶监视器确认照片。当然，屏幕较大且分辨率较高的液晶监视器更方便确认照片的细节。但是，监视器的屏幕越大机身也就越大，电池可能会消耗得更快。这也是我们在选购时需要注意的地方。
镜头种类以及各部件的名称和功能
单反相机是一种可以自由更换镜头的相机，所以我们可以在使用单反相机拍摄时根据拍摄场景和目的更换相应的镜头。例如：在日常拍摄场景中使用常用的标准镜头；在风光摄影等需要广角拍摄的场景中，使用适合广角拍摄的广角镜头；而在野生鸟类摄影或体育摄影、室外人像摄影等需要拍摄距离较远的被摄体的场景中，使用长焦镜头。
很多摄影初学者在购买相机时会阅读产品说明书等，在相机机身的性能方面做很多功课，但对镜头没有太高的要求。其实镜头对最终成像的影响也很大，不同的镜头性能不仅会影响快门速度和光圈大小，也会左右自动对焦速度及对焦的准确性。此外，拍摄时的噪点多少（在拍摄视频时尤为重要）、防抖程度（视型号而定）、变焦范围等也会产生影响。
×× mm 的镜头
人眼的可视范围称为视野，而相机的可视范围称为视角。长焦镜头虽然可以很清楚地拍到远处的被摄体，但焦距越长视角越窄（小）。而适合拍摄风景的广角镜头，其视角更宽（大）。视角与焦距紧密相关，焦距就是镜头上用 mm 表示的数值，看这个数值就可以知道这是一个什么样的镜头（图 1.16）。
图 1.16 单反相机的长焦镜头
上图为 80 mm ~ 200 mm 的长焦变焦镜头。长焦镜头可以把距离较远的被摄体拍得又大又清晰。
标准镜头是以人眼的可视范围为基准设计的，焦距为 50 mm 左右。焦距小于它的（例如，40 mm 或更小的）称为广角镜头，大于它的（特别是约 80 mm 以上的）称为长焦镜头。然而，也不是说“小于 ×× mm 的就一定是广角镜头”。关于镜头，并没有这么具体的定义。而且随着时代的变迁，各焦距的区间划分也在发生变化（详见第 3 章）。
变焦和定焦
可以改变焦距的镜头称为变焦镜头，不能改变焦距的镜头称为定焦镜头。通常来说，变焦镜头使用起来非常便捷。因为可以在保持拍摄位置不变的情况下，通过改变焦距调整拍摄对象的大小或构图。目前市场上的便携式数码相机基本都配备了变焦功能，所以刚开始了解单反相机的人，可能会对有些镜头没有变焦功能感到很惊讶。
但是，如此便利的变焦镜头也有缺点。首先，变焦功能的结构复杂，所以与定焦镜头相比，变焦镜头的镜身更长、更重。而且，因为结构复杂，所以要开发出具有高性能的产品比较困难，需要付出高昂的制造成本。出于这个原因，可以变焦并同时拥有 F2.8 等大光圈的镜头一般价格比较昂贵。相反，定焦镜头因为结构简单，所以拥有大光圈的还是比较多的。
所以，要是追求拍摄时的便捷性就选择变焦镜头，要是追求轻便和大光圈就选择定焦镜头。
由于可以通过变焦环改变焦距，所以变焦镜头的产品上会标示焦距的范围。比如，标注“80 mm ~ 200 mm”的镜头，其广角端最小焦距为 80 mm，长焦端最大焦距为 200 mm。
如果镜头的变焦范围从广角到长焦都可以覆盖，就称这种镜头为高倍率变焦镜头。例如，目前市面上在售的一款高倍率变焦镜头，其变焦范围为 18 mm ~ 400 mm（图 1.17）。如果觉得同时携带广角镜头和长焦镜头很不方便，那么高倍率镜头是一个很好的选择。只拿这一支镜头就够用了。
图 1.17 高倍率变焦镜头
上图为腾龙 18 mm ~ 400 mm F/3.5-6.3（Model B028）变焦 镜头。它是世界上第一个实现了在 APS-C 画幅上达到 22.2倍率的超长焦高倍率变焦镜头。
镜头卡口
连接相机机身和镜头的部分就是镜头卡口。在单反相机中，人们熟知的有佳能的 EF 卡口、尼康的 F 卡口、索尼的 A 卡口（美能达或柯尼卡美能达 α）和 E 卡口，以及宾得的 KAF2、4/3 系统卡口等。
对于可换镜头式相机，我们可以根据自己的喜好随意更换镜头，但要确保相机和镜头具有兼容性。因此，相机机身制造商在自家各种相机机型的规格表中都标明了卡口的类型，只要是同一制造商生产的镜头，用户就可以自由选择更换。即使是用在胶片相机上的镜头，只要镜头卡口的规格相同，也可以安装在最新的数码相机上使用。
此外，还有一些专门生产镜头的制造商（也就是所谓的副厂），会生产能够兼容各种镜头卡口的镜头产品。这类产品在质量上也有一定保证，大家可以通过官方网站或者产品说明书查看它们具体可以用在哪些相机上。