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。但就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摄像头与插在电脑的采集卡

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。当图像进入计算机就是数字的。如果信号在摄像头、采集卡两部分完成数字化的,这个CCD被认为就是模拟CCD。数字摄像头事实上就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芯片都就是由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都就是噪音,噪音在Cool CCD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

这个指标就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而言就是难以克服的

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。在基因组与蛋白组研究中,16bit的摄像头在捕获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,基本可以认为就是同步的。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就是相机的像素,像素也的确就是数码相机

最重要的一项硬指标,也就就是说,像素高了不一定就是好相机,但就是

像素太低(以目前的市场主流,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瞧见的图像了。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,我们平时说的多少万像素就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。

接下来要讲的就就是为什么高像素不一定就是好相机的一个原因:尺寸

尺寸:

尺寸就就是通常所的说的CCD尺寸、CMOS尺寸,常见的有2/3英寸,1/1、8英寸,1/2、7英寸。这个单位不就是太直观,以1/2、7英寸为例,换算成我们熟悉的单位就就是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英寸的已经就是相当高级的机器了,像美能达的D7HI、尼康的CP5700、索尼的F717,而少数使用与我们平时使用的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,但就是,真正应该使用的应该就是记录像素(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。

我们以索尼的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的即坏的像素,这就是目前技术无法解决的;除去坏的像素剩下的就就是可感光像素,感光元件的边缘要用作确定“黑”的基准值,这部分像素也就是不参与成像的;除去不参与成像的像素,剩下的就就是活动像素;然后再在这些像素里抽取部分像素作一个标准的输出(如2048×1536)。这样减来减去剩下的就就是推荐记录像素,也就就是我们平时所说的有效像素了。

分辨率:

分辨率与有效像素直接相关,例如:200万像素数码相机的最大分辨率为1704×1257;300万像素最大分辨率则就是2048×1536;而到达500万像素这个级别的时候,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;如果您只想将照片存储在电脑中,用显示器瞧,就算您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,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,就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与代表技术。

参数分析

因为8013 DSP的AD 转换时间在32M主频的情况下最短为2、125US。如果选用一个分辨率为320 线的摄像头,则单行视频信号持续的时间约为

20MS/320=62、5US,AD 对单行视频信号采样的点数将不超过[62、5/2、125]=29 个。若使用分辨率为640 线的摄像头,则单行视频信号持续的时间约为

20MS/640=31US,AD 对单行视频信号采样的点数将不超过[31/2、125]=14 个。这就就是说,分辨率越高,单行视频信号持续的时间就越短,AD 对单行视频信号所能采样的点数就越少。

所以我们应该选择线数尽量低的摄像头

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(SUPER CCD):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的传感器形状与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、更佳的色调与更真实的色彩。超级CCD就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(COMPLEMENTARY 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。最著名的就是美国FOVEON公司的FOVEON X3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。

FOVEON X3:FOVEON X3就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BAYER PATTERN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:FOVEON X3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就是至关重要的,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,一类就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,另一类就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,如索尼用的就是德国的蔡斯镜头,松下用的就是德国的莱卡,三星用的就是德国的施耐德,卡西欧用的就是日本的宾得。这些都就是响当当的名号,如果您不熟悉,那也不要紧,我们在这里给您简要地介绍一下:

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carl zeiss 德国

莱卡leica 德国

斯耐德schneider 德国

表2:知名镜头生产商

*尼康的机身与镜头使用的就是不同的商标,机身用的就是尼康NIKON,镜头用的就是尼克尔NIKKOR。

这些都就是著名的品牌,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

光圈就是表征镜头单位时间通光量的单位。我们从镜头瞧进去可以瞧见一个环形的活动“门”,这就就是光圈,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,就是指镜头到透镜焦点(在数码相机上也就就是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就是变焦镜头,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,这就是数码相机的强项,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。这对微距拍摄就是很有用的。

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、松下与夏普６家厂商可以批量生产,而其中最主要的供商就是索尼。索尼就是一间最早从事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。下面就是索尼CCD技术发展简史。

1969年,美国的贝尔电话研究所发明了CCD。它就是一个将“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。但就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:“这才应该就是由索尼半导体部门完成的课题！好,我们就培育这棵苗！”当时的越智仅仅实现了用64像素画了一个粗糙的“S”。然而,岩间撂了一句让越智大惑不解的话:“用CCD造摄像机。我们的对手不就是电器厂商,而就是胶片厂商伊斯特曼·柯达！”当时的索尼与柯达可以说就是风马牛不相及,为什么对手会就是柯达？时间过去了近40年后的今天,当索尼推出使用800万像素的F828数码相机步入市场的时候,谜底终于揭穿了,岩间说的就是“要以超过柯达的胶卷照片的图像质量为目标搞CCD开发！”

岩间就是那种有远见的经营者,索尼开始引进晶体管时,站在第一线指挥的就就是岩间,她亲自到美国考察,从美国不断地发回技术报告,靠着这些报告,索尼前身的东京通信工业生产出了晶体管,成长为世界一流的半导体厂家。当时,CCD只就是实验室里的东西,谁也没有想到它能成为商品。因为按照当时的技术水平,人

们普遍认为:运用大规模的集成电路技术、完美无缺地生产在一个集成块上具有10万元件以上的CCD,几乎就是不可能的。一般的企业在搞清这个情况以后就从研究中撤了下来。但岩间却不这么认为,她的结论就是:“正因为机会谁都没有动手搞,我们才要搞！”

这在当时就是一种边沿的研究,温吞水的努力就是难以奏效的。而且,这还就是一项很费钱的研究,据说从开发阶段直到实现商品化,索尼花在CCD上的钱高达200亿日元。项目研究虽然只花了30亿日元,但因为CCD的加工制造需要大量专有技术,实现大量生产时的技术积累过程难度最大,所以这方面投下了170亿日元。因此,这个项目如果没有优秀的经营者的支持根本办不到。岩间曾任索尼的美国分社长,回到日本索尼以后担任副社长兼索尼中央研究所的所长。据索尼开发团队带头人木原的回忆:“回国最初,岩间视察了中央研究所的全体,随着时间的过去,她的关心逐渐移到了CCD开发方面。大家注意到她一天之中有一半就是在从事CCD研究的越智成之身旁度过的。到了1973年11月,CCD终于立了项,成立了以越智为中心的开发团队。”

在全公司的支援下,开发团队克服重重困难,终于在1978年3月制造出了被人认为“不可能的”、在一片电路板上装有11万个元件的集成块。以后,又花了2年的岁月去提高图像质量,终于造出了世界上第一个CCD彩色摄像机。在这个基础上再改进,首次实现了CCD摄像机的商品化。当时,CCD的成品率非常低,每100个里面才有一个合格的,生产线全开工运转一周也只能生产一块。有人开玩笑说:这哪里就是合格率,这简直就就是发生率！索尼接到全日空13台CCD摄像机的订单,其中用的CCD集成块的生产足足花了一年。

1980年1月,升任社长的岩间又给了开发团队新的目标:“开发使用CCD技术的录像录音一体化的摄像机”。又就是苦斗,经过了公布样品、统一规格、CCD摄像机开发团队与普通摄像机开发团队的携手大奋战,1985年终于诞生了第一部8毫米摄像机“CCD-V8”。从开始着手CCD的研究,直到生产出第一台8毫米CCD摄像机,已经经历了15年的岁月了。

从CCD开发到数码摄像机的商品化,仅仅就是一个开端。真正实现与光学相机相匹敌的图像质量,还有很长的路要走。数码相机上最初使用的CCD虽然就是将录像机专用品转用的,但就是很快在数码相机专用CCD方面出现了“像素竞争”,静止画面用CCD质量迅速地提高了。

以下就是索尼公司进入80年代后,以年代为顺序,在CCD传感器技术方面的发展简介:

1、HAD感测器(80年代初期)

HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器就是在N型基板,P型,N+2极体的表面上,加上正孔蓄积层,这就是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层,可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外,在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道,使得开口率提高,换句换说,也提高了感度。在80年代初期,索尼将其领先使用在INTERLINE方式的可变速电子快门产品中,即使在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图像。

2、ON-CHIP MICRO LENS(80年代后期)

80年代后期,因为CCD中每一像素的缩小,将使得受光面积减少,感度也将变低。为改善这个问题,索尼在每一感光二极管前装上经特别制造的微小镜片,这种镜片可增大CCD的感光面积,因此,使用该微小镜片后,感光面积不再因为感测器的开口面积而决定,而就是以该微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率,也使感亮度因此大幅提升。

3、SUPER HAD CCD(90年代中期)

进入90年代中期后,CCD技术得到了迅猛发展,同时,CCD的单位面积也越来越小,受CCD面积限制,索尼1989年开发的微小镜片技术已经无法再提升CCD 的感亮度了,而如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升,将会使杂讯同时提高,成像质量就会受到较大的影响。为了解决这一问题,索尼将以前在CCD上使用的微小镜片的技术进行了改良,提升光利用率,开发将镜片的形状最优化技术,即索尼SUPER HAD CCD技术。这一技术的改进使索尼CCD在感觉性能方面得到了进一步的提升。

4、NEW STRUCTURE CCD(1998年)

在摄影机光学镜头的光圈F值不断的提升下,进入到摄影机内的斜光就越来越多,但更多的钭光并不能百分百地入射到CCD传感器上,从而使CCD的感光度受到限制。在1998年时,索尼公司就注意到这一问题对成像质量所带来的负面效果,