CCD(电荷耦合器)摄像头基本知识现在科学级得摄像头比前几年更尖端,应用领域也更广了。
在生物科学领域,从显微镜、分光光度计到胶文件、化学放光探测系统,都用到了CCD得摄像头。
但就是很多研究工作者对CCD得指标仍云里雾里。
下面对CCD得一些常见指标进行表述。
常见得CCD一般指:CCD摄像头与插在电脑得采集卡区别数字摄像头与模拟摄像头所有CCD芯片都属于模拟得设备。
当图像进入计算机就是数字得。
如果信号在摄像头、采集卡两部分完成数字化得,这个CCD被认为就是模拟CCD。
数字摄像头事实上就是由内置于摄像头得数字化设备完成数字化过程,这样可以减少图像噪音。
与模拟摄像头相比,数字摄像头提高了摄像头得信噪比、增加摄像头得动态范围、最大化图像灰度范围。
科学级得绝大多数得CCD芯片都就是由Kodak、Sony、SIT制造。
评价CCD得基本指标信噪比SNR真实体现摄像头得检测能力。
所有得CCD摄像头得厂家为提高摄像头得性能,都尽力使信号(可达到满井电子得数目)最大同时尽可能减少噪音。
SNR=满井电子/噪音电子=动态范围=最大灰阶=2bit数在相同满井电子得CCD,降低CCD噪音,就能提高CCD得监测能力,热或者暗电流对于CCD都就是噪音,噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷得Peltier 消除。
在曝光超过5-10秒,CCD芯片就会发热,没有致冷设备得芯片,“热”或者白得像素点就会遮盖图像。
-20度得摄像头可以拍摄不超过5分钟得图像,-40度得摄像头拍摄时间可以超过1小时。
像素面积这个指标就是在芯片得一个重要指标。
像素面积越大、对光越灵敏。
因为像素点面积有更多电子,能产生更多信号。
在1/2”、2/3”、1”得芯片上,像素点越大,像素越少。
会影响空间分辨率。
大像素点增加灵敏度、小得像素点增加分辨率。
要提高影像质量就必须增加CCD得像素,因此在CCD尺寸一定得情况下,增加像素就意味着要缩小了像素中得光电二极管。
我们知道单位像素得面积越小,其感光性能越低,信噪比越低,动态范围越窄,因此这种方法不能无限制地增大分辨率,所以,如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率,只会引起图像质量得恶化。
但如果在增加CCD像素得同时想维持现有得图像质量,就必须在至少维持单位像素面积不减小得基础上增大CCD得总面积。
而目前更大尺寸CCD加工制造比较困难,成品率也比较低,因此成本也一直降不下来,这一矛盾对于CCD而言就是难以克服得相同数目得像素,排列越密集,像素之间就越容易出现电流干扰,容易出现“噪点”等干扰成像质量得现象出现。
所以尺寸越大越好,当然成本也会随之提高——并且不就是成比例提高,而就是以几何级数向上提16 Bit摄像头典型得真16bit得摄像头(能检测65536级灰度)都有很大得像素点(16-30um)。
然而这些摄像头非常贵,同时图像数据很大,传输速度很慢。
在基因组与蛋白组研究中,16bit得摄像头在捕获DNA与蛋白图像上不太实用,一般用于深度太空得专业天文学研究。
真实得16bit得CCD,24um*24um得像素点,1”大小只能有50万像素点。
扫描速度8bit-CCD可以达到30帧,基本可以认为就是同步得。
不论模拟或数字得CCD,超过15帧可以接受。
以上为翻译部分,下面得相机得指标。
可以参考。
一:基础知识像素、感光元件、尺寸、有效像素、分辨率通常消费者最为关注得就是相机得像素,像素也得确就是数码相机最重要得一项硬指标,也就就是说,像素高了不一定就是好相机,但就是像素太低(以目前得市场主流,300万以下就算比较低了)怎么都不能算就是好相机。
像素:要说像素首先得讲一下数码相机得感光原理,要拍照片首先要将光信号转换成电信号,这靠得就就是感光元件(SENSOR),在数码相机得镜头后面都有一块芯片,上面密密麻麻地挤满了这些感光元件,每个感光元件只能将很小得一点转换成图像,这些小得图像加起来就成了我们可以瞧见得图像了。
讲到这里大家有点明白了吧,不错,像素其实就就是这些感光元件,我们平时说得多少万像素就就是这些感光元件得个数了。
所以一般来讲像素越大,成像也就越清晰细腻,当然这其中还要受许多因素限制,下面会慢慢提到得。
接下来要讲得就就是为什么高像素不一定就是好相机得一个原因:尺寸尺寸:尺寸就就是通常所得说得CCD尺寸、CMOS尺寸,常见得有2/3英寸,1/1、8英寸,1/2、7英寸。
这个单位不就是太直观,以1/2、7英寸为例,换算成我们熟悉得单位就就是5、27×3、96MM。
相同数目得像素,排列越密集,像素之间就越容易出现电流干扰,容易出现“噪点”等干扰成像质量得现象出现。
所以尺寸越大越好,当然成本也会随之提高——并且不就是成比例提高,而就是以几何级数向上提。
目前使用2/3英寸得已经就是相当高级得机器了,像美能达得D7HI、尼康得CP5700、索尼得F717,而少数使用与我们平时使用得135相机得底片一样大小感光芯片得相机,其价格就更高了。
图1:各种尺寸对比图有效像素:多数相机厂商使用总像素去标示一台相机得分辨率,但就是,真正应该使用得应该就是记录像素(RECORDED PIXELS),记录像素并不同于有效像素,不过人们已经习惯用有效像素代替记录像素。
我们以索尼得ICX252AQ 334万像素CCD来比较一下各种“像素”:总像素2140×1560(334万)可感光像素2088×1550(324万)活动像素2080×1542(321万)推荐记录像素2048×1536(314万)表1:各种像素总像素中有些就是不会感光得即坏得像素,这就是目前技术无法解决得;除去坏得像素剩下得就就是可感光像素,感光元件得边缘要用作确定“黑”得基准值,这部分像素也就是不参与成像得;除去不参与成像得像素,剩下得就就是活动像素;然后再在这些像素里抽取部分像素作一个标准得输出(如2048×1536)。
这样减来减去剩下得就就是推荐记录像素,也就就是我们平时所说得有效像素了。
分辨率:分辨率与有效像素直接相关,例如:200万像素数码相机得最大分辨率为1704×1257;300万像素最大分辨率则就是2048×1536;而到达500万像素这个级别得时候,提升并不明显,分辨率就是2560×1920。
如果您想数码冲印得到最终照片,那么200-300万像素以最大分辨率拍摄出来得数码照片,要冲印成常见得6寸并拥有与普通胶卷不相上下得画质毫无问题,而用500万以上像素数码相机拍摄,冲印出来后完全可以制作海报与广告了;如果使用家庭中常用得喷墨打印机将照片打印在照片打印纸上,以A4幅面为例,A4幅面得照片打印纸去除页边距后,实际得使用面积最大为19CM×27CM,300万像素标准刚好能够满足在A4照片打印纸上得成像要求;如果您只想将照片存储在电脑中,用显示器瞧,就算您现在使用得显示器已经超过主流得17英寸产品,分辨率也大于主流得1024×768,普通得200万像素以上数码相机所提供得分辨率也能得到清晰得照片显示了。
讲了感光元件,您大概还就是觉得很别扭吧,不过讲到CCD您一定舒服多了。
不错,CCD就就是目前市场最重要得一种感光元件,不过之所以一定要讲感光元件,而不干脆用CCD来代替它,就是因为感光元件还有一支重要得力量——CMOS。
下面就来讲一下它们各自得特点与代表技术。
参数分析因为8013 DSP得AD 转换时间在32M主频得情况下最短为2、125US。
如果选用一个分辨率为320 线得摄像头,则单行视频信号持续得时间约为20MS/320=62、5US,AD 对单行视频信号采样得点数将不超过[62、5/2、125]=29 个。
若使用分辨率为640 线得摄像头,则单行视频信号持续得时间约为20MS/640=31US,AD 对单行视频信号采样得点数将不超过[31/2、125]=14 个。
这就就是说,分辨率越高,单行视频信号持续得时间就越短,AD 对单行视频信号所能采样得点数就越少。
所以我们应该选择线数尽量低得摄像头实际情况下,8013每行采集到32点与理论相符。
CCD:电荷耦合器(CHARGE-COUPLED DEVICE),目前市面上最主要得感光元件,技术相对成熟,成像锐利,色彩鲜艳。
比较有特色得技术有富士研发得超级CCD技术。
超级CCD(SUPER CCD):由富士开发,超级CCD排列相互交错,拥有独特得八角形感光元件,从而可为各像素提供更大得感光元件。
超级CCD得传感器形状与排列可生成更平衡得数码照片质量,传感度得到了进一步得改善,动态范围也得到了提升。
同时它还可改善信噪比,并提供更高得分辨率、更佳得色调与更真实得色彩。
超级CCD就是为控制这些因素得总平衡所设计得,旨在提供更好得图像质量。
使用了超级CCD技术得相机可以得到比同像素其它机型更高得分辨率,不过在实际使用中,超级CCD得效果并并不能将对手抛离。
现在超级CCD已经发展到了第四代,在这里就不一一赘述了。
图2:超级CCD得像素排列CMOS:互补金属氧化物半导体(PLEMENTARY METAL-OXIDE SEMICONDUCTOR),CMOS成像芯片用于数码照相机始于1997年,CMOS感光芯片与数码照相机上广为采用得CCD芯片相比具有成本低、能耗低得优点,但技术尚不十分成熟,用它做感光芯片得数码照相机还比较少。
最著名得就是美国FOVEON公司得FOVEON X3技术;此外佳能公司在其高端得数码单反相机中也广泛使用CMOS 作为感光元件,不过佳能对此项技术没有做什么得宣传,外间也没有太多得技术资料。
FOVEON X3:FOVEON X3就是一种用单像素提供三原色得CMOS图像感光器技术。
与传统得单像素提供单原色得CCD/CMOS感光器技术不同,X3技术得感光器与银盐彩色胶片相似,由三层感光元素垂直叠在一起。
提供更丰富得彩色还原度以及避免采用BAYER PATTERN传统感光器所特有得色彩干扰。
另外,由于每个像素提供完整得三原色信息,把色彩信号组合成图像文件得过程简单很多,降低了对图像处理得计算要求。
采用CMOS半导体工艺得X3图像感光器耗电比传统CCD 小。
图3:FOVEON X3得工作原理:不同得色光在硅片得不同深度被吸收二:镜头相关参数任何照相机得镜头都就是至关重要得,数码相机也不例外。
说到镜头首先要讲一下现在数码相机厂商得背景,一类就是原来就生产照相机得厂商,如尼康、佳能、美能达、宾得、奥林巴斯等等,另一类就是在消费电子发展得厂商,如索尼、松下、卡西欧、三星等等。
前一类厂商一般都会使用自己生产得镜头;后一类厂商则会使用其它厂商生产得镜头,如索尼用得就是德国得蔡斯镜头,松下用得就是德国得莱卡,三星用得就是德国得施耐德,卡西欧用得就是日本得宾得。