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