2024年2月28日发(作者：斯听双)
图像传感器尺寸与镜头焦距转换系数
姚磊磊;郭根生
【摘 要】数码相机图像传感器尺寸随相机的不同而不同,同样焦距的镜头在不同尺寸的传感器上,成像的视角也不同.所以仅仅以镜头的真实焦距,无法比较不同相机的拍摄范围(成像视角).要想将不同尺寸图像传感器上成像的视角,转化为135相机上同样成像视角所对应的镜头焦距,就要了解镜头焦距转换系数的相关概念.
【期刊名称】《影像技术》
【年(卷),期】2010(022)003
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】数码相机;图像传感器;镜头焦距;转换系数
【作 者】姚磊磊;郭根生
【作者单位】山东师范大学,传播学院,济南,250014;山东师范大学,传播学院,济南,250014
【正文语种】中 文
【中图分类】TB851+.1;TP333.5+3
人们在选购相机时通常把目标放到了价格和像素上，盲目地追求着最高像素的突破，却遗忘了另外一个重要因素，图像传感器的尺寸。图像传感器尺寸越大，越接近传统胶片的大小，那么它的制造成本越高，价格也就直线上升。而图像传感器尺寸在一定范围内的缩小，就促使不同镜头焦距转换系数的出现。不同的厂商，图像传感
器尺寸不同，导致市场上采用不同规格感光元件数码相机多种多样。这样就出现了焦距转换系数这一概念。那么图像传感器尺寸与镜头焦距转换系数之间的关系究竟如何呢？下面做一说明。
1 图像传感器尺寸
在数码相机时代，胶卷被取消，感光材料变成了图像传感器，材料为CCD或CMOS。说到图像传感器的尺寸，其实代表的就是图像传感器的面积的大小。以CCD为例，CCD由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单元会将电荷反映在组件上，所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。因此，CCD面积越大，捕获的光子越多，感光性能就越好，信噪比就越低。
大尺寸的图像传感器的优点：
（1）.容许更大的像场，获得更大的光通量，支持更高的快门速度
像场是指在照相机中，以胶片或图像传感器的有效对角线为直径所形成的一个圆，像场越大，感光器件上能够获得的光线总量越多，形成的图像质量越好，也就能支持更高的快门速度。
例如数码相机APS尺寸的传感器，其长宽尺寸为24mm×16mm，对角线为28.8mm，像场面积为652.9mm2，传感器受光面积为384mm2。而所谓“全画幅”尺寸的传感器，其长宽尺寸为36mm×24mm,对角线为43.3mm,像场面积为1470mm2,传感器受光面积为864mm2。全画幅传感器的的实际受光量是APS尺寸传感器的2.25倍,不言而喻,后者的成像质量要高于前者。在被拍摄物体、环境光线、光圈大小和感光度都已经确定的情况下,便能支持更高快门速度。
（2）.信噪比提高，获得更优质的图像
由于单个感光单元面积增大，所捕获光也增多，使图像的层次更丰富、色彩更饱满，信噪比提高，画面噪点减小，图像更加干净。
（3）.容许更多的像素，获得更清晰的图像
大尺寸的图像传感器能容纳更多的像素，图像分辨率和清晰度也随之提高。比如用PIMA/ISO 12233标板图像进行测试,富士FinePixS3 Pro在使用600万像素时,其分辨率为1800 LPH左右,而用1200万像素拍摄,其分辨率可以达到2000 LPH以上。
（4）.更高的感光度，在光线差的条件下也能获得优质图像
高感光度使用在环境光线差的场合,比如阴雨天、舞台或夜景等。但是,高感光度容易使图像质量下降,主要表现在缺乏层次、噪点增多,使得图像变脏,不够干净和细腻。造成这种情况的主要原因是传感器的灵敏度和信噪比不足,光线不好时为了达到一定的曝光量,需要加大电信号的增益量,噪声信号也被放大,使噪点随感光度的提高而增加,图像质量劣化。因此,在使用小尺寸图像传感器时,数码相机的最高感光度不会设计得很高。一般消费类数码相机的感光度设计成ISO 50、ISO 100、ISO 200、ISO 400、ISO 800等。在单反数码相机中，由于采用了大尺寸的图像传感器,因此可以把最高感光度设计得很高,近期的产品一般不会低于ISO 1600,更好一点的达到了ISO 3200,最高达到ISO 6400。对于有的单反照相机,即使在ISO 800和ISO
1600的情况下,其图像质量甚至比普通数码相机低至ISO 200情况下的质量还要好。
2 常用数码相机的图像传感器尺寸
图像传感器尺寸的表示方法有两种：一种是直接使用图像传感器的横边与纵边长度来表示，另一种则由以往CRT显示器尺寸的表示方法扩展而来，即以图像传感器被切割前的圆直径来表示，比如1/1.8英寸、1/2.5英寸等。由于更大尺寸图像传感器加工制造比较困难，目前市场上常见图像传感器的尺寸大致可分为7个级别：
（1）.1/3.2英 寸：约5.27mm×4.40mm，如尼康2100、奥林巴斯C-150；
（2）.1/2.7英寸：约6.17mm×5.17mm，如佳能A70、索尼P72、尼康3500、
奥林巴斯C-750、松下F1等；
（3）.1/2.5英寸：约5.76×4.29mm，如卡西欧EXS3、奥林巴斯C-740、美能达G400等；
（4）.1/1.8英寸：约7.176×5.319mm，这是主流产品最常用的CCD规格，如佳能G5、索尼P100、奥林巴斯C-5030、佳能IXUS400、柯达CX-6490等；
（5）.2/3英寸：约9.74mm×7.96mm，这种尺寸的CCD基本上是用在各大厂商代表产品形象的顶级民用产品中。如索尼F717、F828、佳能Pro 1、尼康5000、5700、8700、8800、8400、奥林巴斯C8080等；
（6）.APS画幅或APS尺寸：是全幅尺寸边长的2/3尺寸,也就是24mm×16mm。
APS画幅又派生出另外两个尺寸：APS-H和APS-C,APS-H大于APS,大约为28mm×19mm左右,APS-C大约为22mm×15mm。APS叫做 “标准APS画幅”,APS-H叫做“大APS画幅”,至于APS-C则叫做 “小APS画幅”。APS尺寸如Nikon D1X、Nikon D1H、Nikon DX2、Nikon D100、 富 士 S1Pro、S2Pro等。APS-H尺寸如佳能1D MarkⅡ、Kodak DCS 760。 APS-C尺寸如佳能10D、20D、300D、350D；
（7）.全画幅尺寸：所谓全画幅是相对于传统135胶卷的尺寸(36mm×24mm)来说的。目前全画幅数码单反的图像传感器尺寸一般为36mm×24mm。如尼康D1、D3、EOS-1Ds、EOS-1Ds Mark III、Kodak DCS Pro 14n、Contax N Digital、佳能EOS-5D、佳能EOS-1Ds。
3 镜头焦距转换系数
目前，绝大数数码相机的成像器件面积都小于普通的135照相机。但是，作为镜头，它无法感知背后是全画幅还是较小画幅，也就是说，镜头不可能根据身后感应元件的大小调整成像距离，因此，同样焦距的镜头用于数码相机和传统相机时，如果它们的感光材料的大小不同，他们的拍摄范围是不一样的。为了更加形象地说明
其区别，通过图1来形象地加以分析。图1中我们假定使用的镜头为一款使用在传统135照相机上并且能够适用在不同镜头转换系数的DSLR上的28mm定焦镜头 （其中标注部分是近似不同镜头转换系数下的大致视角，不代表拍摄中的真实视角，长宽比例与实际拍摄有一定出入，这里只做示意图）。
由图1我们可以看到，一个1/2.5英寸图像传感器的拍摄范围比全画幅减小很多，镜头的拍摄视野小了不少，镜头的视角和像角也小了不少，就等同于焦距发生了增加变化，如图2（图2见下页）。
比35mm胶卷小的图像传感器只能获得胶卷中央部分的信息，导致“视野缺失”，因此，同一镜头在数码相机上使用，与在普通35mm照相机上使用相比，“焦距延长”了，而且镜头“焦距延长”的倍数在不同的数字照相机上是不同的，这取决于图像传感器的尺寸，尺寸越小，系数越大。我们把这个“焦距延长”的倍数称为镜头焦距转换系数 （Focal Length Multiplier,“FLM”）。
（1）.数码相机镜头焦距转换系数的计算
镜头焦距转换系数C=43.27（35mm胶片的对角线尺寸）/(数码相机的成像器件CCD的有效对角线尺寸)
将数码相机的实际焦距乘上镜头焦距转换系数C，即得出等效于35mm相机的焦距。
例如：一台数码相机的实际焦距为7～21mm（一般镜头上都仅标出该值），CCD的有效成像范围对角线尺寸为8.93mm(1/1.8英寸CCD)。则:换算系数
C=(43.27/8.93)=4.85。 因此：该镜头等效于35mm相机的焦距为(7～21)×4.85=34～102mm。
如尼康D200，对角线长度为28.84mm，135胶片它的对角线长度为43.27mm，因此，尼康D200的焦距系数为1.5。如果我们要在一台35mm照相机上实现与
D200相同的取景范围，35mm照相机使用的镜头焦距必须为D200的1.5倍。
（2）.镜头焦距转换系数的利与弊
由于焦距转换系数的影响，同样的一个镜头，在数码单镜头反光照相机上的焦距要大于35mm胶卷相机。如把一支19mm的镜头安装在数码单镜头反光照相机上（FLM为1.5倍），它产生的视野范围其实只相等于35mm胶卷相机的28mm的镜头。但是有时这种广角端的弊端会转化成长焦端的优势，如当镜头转换系数为2的时候，一支原本400mm的普通长焦镜头，安在数码单镜头反光照相机就会变成800mm的超级长焦镜头。
我们知道，成像的锐利度，在很大方面取决于机身在曝光的瞬间是否稳定，对于长焦镜头来说，哪怕是极少的晃动都会被镜头放大到无法接受的程度。就如同手抖一下，对200mm镜头的影响就比14mm镜头大很多。因此，对于因转换系数为2所产生的800mm的超级长焦镜头，因为手的轻微抖动就可能会毁灭整天的劳动成果。
通常情况下，数码相机的说明书上都会告诉你镜头的焦距转换系数。你只要乘上这一系数就可求得相当于传统135照相机镜头的“实际”焦距。普通消费者购买数码相机时都把注意力集中于数码相机像素数量上，但是，作为CCD像素增加同时图像质量变好的基石，CCD尺寸也应成为人们购买数码相机的一个重要因素。
2024年2月28日发(作者：斯听双)
图像传感器尺寸与镜头焦距转换系数
姚磊磊;郭根生
【摘 要】数码相机图像传感器尺寸随相机的不同而不同,同样焦距的镜头在不同尺寸的传感器上,成像的视角也不同.所以仅仅以镜头的真实焦距,无法比较不同相机的拍摄范围(成像视角).要想将不同尺寸图像传感器上成像的视角,转化为135相机上同样成像视角所对应的镜头焦距,就要了解镜头焦距转换系数的相关概念.
【期刊名称】《影像技术》
【年(卷),期】2010(022)003
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】数码相机;图像传感器;镜头焦距;转换系数
【作 者】姚磊磊;郭根生
【作者单位】山东师范大学,传播学院,济南,250014;山东师范大学,传播学院,济南,250014
【正文语种】中 文
【中图分类】TB851+.1;TP333.5+3
人们在选购相机时通常把目标放到了价格和像素上，盲目地追求着最高像素的突破，却遗忘了另外一个重要因素，图像传感器的尺寸。图像传感器尺寸越大，越接近传统胶片的大小，那么它的制造成本越高，价格也就直线上升。而图像传感器尺寸在一定范围内的缩小，就促使不同镜头焦距转换系数的出现。不同的厂商，图像传感
器尺寸不同，导致市场上采用不同规格感光元件数码相机多种多样。这样就出现了焦距转换系数这一概念。那么图像传感器尺寸与镜头焦距转换系数之间的关系究竟如何呢？下面做一说明。
1 图像传感器尺寸
在数码相机时代，胶卷被取消，感光材料变成了图像传感器，材料为CCD或CMOS。说到图像传感器的尺寸，其实代表的就是图像传感器的面积的大小。以CCD为例，CCD由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单元会将电荷反映在组件上，所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。因此，CCD面积越大，捕获的光子越多，感光性能就越好，信噪比就越低。
大尺寸的图像传感器的优点：
（1）.容许更大的像场，获得更大的光通量，支持更高的快门速度
像场是指在照相机中，以胶片或图像传感器的有效对角线为直径所形成的一个圆，像场越大，感光器件上能够获得的光线总量越多，形成的图像质量越好，也就能支持更高的快门速度。
例如数码相机APS尺寸的传感器，其长宽尺寸为24mm×16mm，对角线为28.8mm，像场面积为652.9mm2，传感器受光面积为384mm2。而所谓“全画幅”尺寸的传感器，其长宽尺寸为36mm×24mm,对角线为43.3mm,像场面积为1470mm2,传感器受光面积为864mm2。全画幅传感器的的实际受光量是APS尺寸传感器的2.25倍,不言而喻,后者的成像质量要高于前者。在被拍摄物体、环境光线、光圈大小和感光度都已经确定的情况下,便能支持更高快门速度。
（2）.信噪比提高，获得更优质的图像
由于单个感光单元面积增大，所捕获光也增多，使图像的层次更丰富、色彩更饱满，信噪比提高，画面噪点减小，图像更加干净。
（3）.容许更多的像素，获得更清晰的图像
大尺寸的图像传感器能容纳更多的像素，图像分辨率和清晰度也随之提高。比如用PIMA/ISO 12233标板图像进行测试,富士FinePixS3 Pro在使用600万像素时,其分辨率为1800 LPH左右,而用1200万像素拍摄,其分辨率可以达到2000 LPH以上。
（4）.更高的感光度，在光线差的条件下也能获得优质图像
高感光度使用在环境光线差的场合,比如阴雨天、舞台或夜景等。但是,高感光度容易使图像质量下降,主要表现在缺乏层次、噪点增多,使得图像变脏,不够干净和细腻。造成这种情况的主要原因是传感器的灵敏度和信噪比不足,光线不好时为了达到一定的曝光量,需要加大电信号的增益量,噪声信号也被放大,使噪点随感光度的提高而增加,图像质量劣化。因此,在使用小尺寸图像传感器时,数码相机的最高感光度不会设计得很高。一般消费类数码相机的感光度设计成ISO 50、ISO 100、ISO 200、ISO 400、ISO 800等。在单反数码相机中，由于采用了大尺寸的图像传感器,因此可以把最高感光度设计得很高,近期的产品一般不会低于ISO 1600,更好一点的达到了ISO 3200,最高达到ISO 6400。对于有的单反照相机,即使在ISO 800和ISO
1600的情况下,其图像质量甚至比普通数码相机低至ISO 200情况下的质量还要好。
2 常用数码相机的图像传感器尺寸
图像传感器尺寸的表示方法有两种：一种是直接使用图像传感器的横边与纵边长度来表示，另一种则由以往CRT显示器尺寸的表示方法扩展而来，即以图像传感器被切割前的圆直径来表示，比如1/1.8英寸、1/2.5英寸等。由于更大尺寸图像传感器加工制造比较困难，目前市场上常见图像传感器的尺寸大致可分为7个级别：
（1）.1/3.2英 寸：约5.27mm×4.40mm，如尼康2100、奥林巴斯C-150；
（2）.1/2.7英寸：约6.17mm×5.17mm，如佳能A70、索尼P72、尼康3500、
奥林巴斯C-750、松下F1等；
（3）.1/2.5英寸：约5.76×4.29mm，如卡西欧EXS3、奥林巴斯C-740、美能达G400等；
（4）.1/1.8英寸：约7.176×5.319mm，这是主流产品最常用的CCD规格，如佳能G5、索尼P100、奥林巴斯C-5030、佳能IXUS400、柯达CX-6490等；
（5）.2/3英寸：约9.74mm×7.96mm，这种尺寸的CCD基本上是用在各大厂商代表产品形象的顶级民用产品中。如索尼F717、F828、佳能Pro 1、尼康5000、5700、8700、8800、8400、奥林巴斯C8080等；
（6）.APS画幅或APS尺寸：是全幅尺寸边长的2/3尺寸,也就是24mm×16mm。
APS画幅又派生出另外两个尺寸：APS-H和APS-C,APS-H大于APS,大约为28mm×19mm左右,APS-C大约为22mm×15mm。APS叫做 “标准APS画幅”,APS-H叫做“大APS画幅”,至于APS-C则叫做 “小APS画幅”。APS尺寸如Nikon D1X、Nikon D1H、Nikon DX2、Nikon D100、 富 士 S1Pro、S2Pro等。APS-H尺寸如佳能1D MarkⅡ、Kodak DCS 760。 APS-C尺寸如佳能10D、20D、300D、350D；
（7）.全画幅尺寸：所谓全画幅是相对于传统135胶卷的尺寸(36mm×24mm)来说的。目前全画幅数码单反的图像传感器尺寸一般为36mm×24mm。如尼康D1、D3、EOS-1Ds、EOS-1Ds Mark III、Kodak DCS Pro 14n、Contax N Digital、佳能EOS-5D、佳能EOS-1Ds。
3 镜头焦距转换系数
目前，绝大数数码相机的成像器件面积都小于普通的135照相机。但是，作为镜头，它无法感知背后是全画幅还是较小画幅，也就是说，镜头不可能根据身后感应元件的大小调整成像距离，因此，同样焦距的镜头用于数码相机和传统相机时，如果它们的感光材料的大小不同，他们的拍摄范围是不一样的。为了更加形象地说明
其区别，通过图1来形象地加以分析。图1中我们假定使用的镜头为一款使用在传统135照相机上并且能够适用在不同镜头转换系数的DSLR上的28mm定焦镜头 （其中标注部分是近似不同镜头转换系数下的大致视角，不代表拍摄中的真实视角，长宽比例与实际拍摄有一定出入，这里只做示意图）。
由图1我们可以看到，一个1/2.5英寸图像传感器的拍摄范围比全画幅减小很多，镜头的拍摄视野小了不少，镜头的视角和像角也小了不少，就等同于焦距发生了增加变化，如图2（图2见下页）。
比35mm胶卷小的图像传感器只能获得胶卷中央部分的信息，导致“视野缺失”，因此，同一镜头在数码相机上使用，与在普通35mm照相机上使用相比，“焦距延长”了，而且镜头“焦距延长”的倍数在不同的数字照相机上是不同的，这取决于图像传感器的尺寸，尺寸越小，系数越大。我们把这个“焦距延长”的倍数称为镜头焦距转换系数 （Focal Length Multiplier,“FLM”）。
（1）.数码相机镜头焦距转换系数的计算
镜头焦距转换系数C=43.27（35mm胶片的对角线尺寸）/(数码相机的成像器件CCD的有效对角线尺寸)
将数码相机的实际焦距乘上镜头焦距转换系数C，即得出等效于35mm相机的焦距。
例如：一台数码相机的实际焦距为7～21mm（一般镜头上都仅标出该值），CCD的有效成像范围对角线尺寸为8.93mm(1/1.8英寸CCD)。则:换算系数
C=(43.27/8.93)=4.85。 因此：该镜头等效于35mm相机的焦距为(7～21)×4.85=34～102mm。
如尼康D200，对角线长度为28.84mm，135胶片它的对角线长度为43.27mm，因此，尼康D200的焦距系数为1.5。如果我们要在一台35mm照相机上实现与
D200相同的取景范围，35mm照相机使用的镜头焦距必须为D200的1.5倍。
（2）.镜头焦距转换系数的利与弊
由于焦距转换系数的影响，同样的一个镜头，在数码单镜头反光照相机上的焦距要大于35mm胶卷相机。如把一支19mm的镜头安装在数码单镜头反光照相机上（FLM为1.5倍），它产生的视野范围其实只相等于35mm胶卷相机的28mm的镜头。但是有时这种广角端的弊端会转化成长焦端的优势，如当镜头转换系数为2的时候，一支原本400mm的普通长焦镜头，安在数码单镜头反光照相机就会变成800mm的超级长焦镜头。
我们知道，成像的锐利度，在很大方面取决于机身在曝光的瞬间是否稳定，对于长焦镜头来说，哪怕是极少的晃动都会被镜头放大到无法接受的程度。就如同手抖一下，对200mm镜头的影响就比14mm镜头大很多。因此，对于因转换系数为2所产生的800mm的超级长焦镜头，因为手的轻微抖动就可能会毁灭整天的劳动成果。
通常情况下，数码相机的说明书上都会告诉你镜头的焦距转换系数。你只要乘上这一系数就可求得相当于传统135照相机镜头的“实际”焦距。普通消费者购买数码相机时都把注意力集中于数码相机像素数量上，但是，作为CCD像素增加同时图像质量变好的基石，CCD尺寸也应成为人们购买数码相机的一个重要因素。