CCD摄像头基本知识

CCD（电荷耦合器）摄像头基本知识现在科学级的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的摄像头。但是很多研究工作者对CCD的指标仍云里雾里。下面对CCD的一些常见指标进行表述。常见的CCD一般指：CCD摄像头和插在电脑的采集卡区别数字摄像头与模拟摄像头所有CCD芯片都属于模拟的设备。当图像进入计算机是数字的。如果信号在摄像头、采集卡两部分完成数字化的，这个CCD被认为是模拟CCD。数字摄像头事实上是由内置于摄像头的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的信噪比、增加摄像头的动态范围、最大化图像灰度范围。科学级的绝大多数的CCD芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造。评价CCD的基本指标信噪比SNR真实体现摄像头的检测能力。所有的CCD摄像头的厂家为提高摄像头的性能，都尽力使信号（可达到满井电子的数目）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数在相同满井电子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的监测能力，热或者暗电流对于CCD都是噪音，噪音在CoolCCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超过5-10秒，CCD芯片就会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像。-20度的摄像头可以拍摄不超过5分钟的图像，-40度的摄像头拍摄时间可以超过1小时。像素面积这个指标是在芯片的一个重要指标。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”的芯片上，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、小的像素点增加分辨率。要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小了像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小，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，只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。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而言是难以克服的相同数目的像素，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”等干扰成像质量的现象出现。所以尺寸越大越好，当然成本也会随之提高——并且不是成比例提高，而是以几何级数向上提16Bit摄像头典型的真16bit的摄像头（能检测65536级灰度）都有很大的像素点（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。在基因组和蛋白组研究中，16bit的摄像头在捕获DNA和蛋白图像上不太实用，一般用于深度太空的专业天文学研究。真实的16bit的CCD,24um*24um的像素点,1”大小只能有50万像素点。扫描速度8bit-CCD可以达到30帧，基本可以认为是同步的。不论模拟或数字的CCD，超过15帧可以接受。以上为翻译部分，下面的相机的指标。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的是相机的像素，像素也的确是数码相机最重要的一项硬指标，也就是说，像素高了不一定是好相机，但是像素太低（以目前的市场主流，300万以下就算比较低了）怎么都不能算是好相机。像素：要说像素首先得讲一下数码相机的感光原理，要拍照片首先要将光信号转换成电信号，这靠的就是感光元件（SENSOR），在数码相机的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的一点转换成图像，这些小的图像加起来就成了我们可以看见的图像了。讲到这里大家有点明白了吧，不错，像素其实就是这些感光元件，我们平时说的多少万像素就是这些感光元件的个数了。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，下面会慢慢提到的。接下来要讲的就是为什么高像素不一定是好相机的一个原因：尺寸尺寸：尺寸就是通常所的说的CCD尺寸、CMOS尺寸，常见的有2/3英寸，1/1.8英寸，1/2.7英寸。这个单位不是太直观，以1/2.7英寸为例，换算成我们熟悉的单位就是5.27×3.96MM。相同数目的像素，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”等干扰成像质量的现象出现。所以尺寸越大越好，当然成本也会随之提高——并且不是成比例提高，而是以几何级数向上提。目前使用2/3英寸的已经是相当高级的机器了，像美能达的D7HI、尼康的CP5700、索尼的F717，而少数使用和我们平时使用的135相机的底片一样大小感光芯片的相机，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的分辨率，但是，真正应该使用的应该是记录像素（RECORDEDPIXELS），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。我们以索尼的ICX252AQ334万像素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是不会感光的即坏的像素，这是目前技术无法解决的；除去坏的像素剩下的就是可感光像素，感光元件的边缘要用作确定“黑”的基准值，这部分像素也是不参与成像的；除去不参与成像的像素，剩下的就是活动像素；然后再在这些像素里抽取部分像素作一个标准的输出（如2048×1536）。这样减来减去剩下的就是推荐记录像素，也就是我们平时所说的有效像素了。分辨率：分辨率和有效像素直接相关，例如：200万像素数码相机的最大分辨率为1704×1257；300万像素最大分辨率则是2048×1536；而到达500万像素这个级别的时候，提升并不明显，分辨率是2560×1920。如果你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的数码照片，要冲印成常见的6寸并拥有与普通胶卷不相上下的画质毫无问题，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的喷墨打印机将照片打印在照片打印纸上，以A4幅面为例，A4幅面的照片打印纸去除页边距后，实际的使用面积最大为19CM×27CM，300万像素标准刚好能够满足在A4照片打印纸上的成像要求；如果你只想将照片存储在电脑中，用显示器看，就算你现在使用的显示器已经超过主流的17英寸产品，分辨率也大于主流的1024×768，普通的200万像素以上数码相机所提供的分辨率也能得到清晰的照片显示了。讲了感光元件，你大概还是觉得很别扭吧，不过讲到CCD你一定舒服多了。不错，CCD就是目前市场最重要的一种感光元件，不过之所以一定要讲感光元件，而不干脆用CCD来代替它，是因为感光元件还有一支重要的力量——CMOS。下面就来讲一下它们各自的特点和代表技术。CCD：电荷耦合器（CHARGE-COUPLEDDEVICE），目前市面上最主要的感光元件，技术相对成熟，成像锐利，色彩鲜艳。比较有特色的技术有富士研发的超级CCD技术。超级CCD（SUPERCCD）：由富士开发，超级CCD排列相互交错，拥有独特的八角形感光元件，从而可为各像素提供更大的感光元件。超级CCD的传感器形状和排列可生成更平衡的数码照片质量，传感度得到了进一步的改善，动态范围也得到了提升。同时它还可改善信噪比，并提供更高的分辨率、更佳的色调和更真实的色彩。超级CCD是为控制这些因素的总平衡所设计的，旨在提供更好的图像质量。使用了超级CCD技术的相机可以得到比同像素其它机型更高的分辨率，不过在实际使用中，超级CCD的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的像素排列CMOS：互补金属氧化物半导体（COMPLEMENTARYMETAL-OXIDESEMICONDUCTOR），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的CCD芯片相比具有成本低、能耗低的优点，但技术尚不十分成熟，用它做感光芯片的数码照相机还比较少。最著名的是美国FOVEON公司的FOVEONX3技术；此外佳能公司在其高端的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的宣传，外间也没有太多的技术资料。FOVEONX3：FOVEONX3是一种用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术。与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，X3技术的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。提供更丰富的彩色还原度以及避免采用BAYERPATTERN传统感光器所特有的色彩干扰。另外，由于每个像素提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求。采用CMOS半导体工艺的X3图像感光器耗电比传统CCD小。图3：FOVEONX3的工作原理：不同的色光在硅片的不同深度被吸收二：镜头相关参数任何照相机的镜头都是至关重要的，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的背景，一类是原来就生产照相机的厂商，如尼康、佳能、美能达、宾得、奥林巴斯等等，另一类是在消费电子发展的厂商，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的镜头；后一类厂商则会使用其它厂商生产的镜头，如索尼用的是德国的蔡斯镜头，松下用的是德国的莱卡，三星用的是德国的施耐德，卡西欧用的是日本的宾得。这些都是响当当的名号，如果你不熟悉，那也不要紧，我们在这里给你简要地介绍一下：中文名英文名国籍尼康nikkor*日本佳能canon日本美能达minolta日本宾得pentax日本奥林巴斯olympus日本适马sigma日本卡尔蔡斯carlzeiss德国莱卡leica德国斯耐德schneider德国表2：知名镜头生产商*尼康的机身和镜头使用的是不同的商标，机身用的是尼康NIKON，镜头用的是尼克尔NIKKOR。这些都是著名的品牌，消费者可以放心选购。镜头的主要参数有光圈、快门、焦距，变焦、最短对焦距离等。光圈光圈是表征镜头单位时间通光量的单位。我们从镜头看进去可以看见一个环形的活动“门”，这就是光圈，通过这道门的打开关闭就可以控制进入镜头的光量。常见的有F2.8，F4，F5.6，F8，F11等，数值越小光圈越大，也就是说“门”打开得越大。常见数码相机的最大光圈一般在F2.8，也有F1.8、F2.0的，最小光圈在F8、F11左右，数码单反除外。焦距所谓焦距，是指镜头到透镜焦点（在数码相机上也就是CCD或CMOS上）的距离。说白了焦距越大望得越远。变焦镜头顾名思义变焦镜头就是焦距可以进行调节的镜头了，目前大多数数码相机的镜头都是变焦镜头，并且以三倍变焦居多。最短对焦距离可以拍摄清楚物体的就近距离，这是数码相机的强项，多数数码相机可以达到3-5厘米，有的甚至可以达到1厘米以内。这对微距拍摄是很有用的。索尼与富士CCD技术发展历程一、索尼CCD技术发展历程由于CCD的生产工艺复杂，因此至今为止，世界上只有索尼、富士、柯达、菲利蒲、松下和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商是索尼。索尼是一间最早从事CCD制造的厂商，从70年代就开始研发CCD了，它从开始生产CCD至今累积计算，生产量已超越了１亿片以上，以50％的市场占有率成为CCD市场领导厂商。下面是索尼CCD技术发展简史。1969年，美国的贝尔电话研究所发明了CCD。它是一个将“光”的信息转换成“电”的信息的魔术师。当时的索尼公司开发团队中，有一个叫越智成之的年轻人对CCD非常感兴趣，开始了对CCD的研究。但是由于这项研究距离商品化还遥遥无期，所以越智成之只能默默地独自进行研究。1973年，一个独具慧眼的经营者——时任索尼公司副社长的岩间发现了越智的研究，非常兴奋地说道：“