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

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（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：