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1、摄像头介绍,1 摄像头原理2 摄像头主要参数解读3 CCD和CMOS区别4 徕卡显微镜摄像头介绍,摄像头原理,摄像头原理：1被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到图像传感器芯片上，传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过预中放大电路放大、自动增益控制，于由图像处理芯片处理的是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC（DSP）。同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成），即产生垂直和水平的扫描驱动信号，到图像处理IC。然后，经数模转换电路通过输出端子输出一个标准的复合视频信号。简单说：摄像头就是通过光电效应，将光信号转换成电信号,
2、主要技术参数像元,像元（像素）：传感器的基本单位，由光电二极管（硅）构成，当硅被激发后发射电子，然后由控制电路将溢出的电子转化为数字信号。1.光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。2.光电二极管原理 是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。3.像元的特性：像元产生的电信号的强弱和光电二极管吸收的光子
3、数成正比，光子数与曝光时间和光的强度有关。单个像元的尺寸决定了像元到达饱和所需吸收的光子量。显微镜相机的像元尺寸在2-24um，我们徕卡摄像头一般在2-4um之间，是选用比较顶尖的传感器，例如MC190HD像素面积可以达到1.671.67m，传感器面积达到1/2.3英寸,主要技术参数分辨率,分辨率：分辨图像能力，用以描述图像细节分辨程度。通常它是以横向和纵向像素点的数量来衡量的，表示成水平像素点数垂直像素点数的形式。在一个固定的平面内，分辨率越高，意味着可使用的细节越多，图像越细致；但相对的，因为纪录的信息越多，数据量也就会越大。一般，分辨率与像素是成正比的，像素越多，分辨率也越高。对于图像传
4、感器芯片而言，有两种提高分辨率的途径：1.是在不改变单个像元大小的前提下，扩展芯片的尺寸。2.就是缩小单个元的尺寸以在同样的芯片面积上拥有更多的像元。,主要技术参数帧数,帧数，即为帧生成数量的简称。是摄像头采集的视频每秒放映的画面数。帧数就是在1秒钟时间里传输的图片的量，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一帧都是静止的图象，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。每秒钟帧数(fps)愈多，所显示的动作就会愈流畅。,主要技术参数信噪比,物理学上，所有的信号都伴有噪声，噪声的类型及其所带来的影响和图
5、像传感器的种类有关。噪声的分类：背景噪声：属于基本噪声，是热激发产生，曝光时间越长，背景噪声越大。读取噪声：信号读取时产生，降低读取速率可以降低读取噪声。光电散粒噪声：具有随机性。背景噪声是基本噪声，所以采取制冷的方式可以最大限度降低暗电流堆积，降低噪音。保持长时间曝光。制冷的方式：风 冷 水/油冷 半导体制冷：常用帕尔贴（Peltier）,占用空间较大，效果不显著,主要技术参数信噪比,其中半导体制冷：用帕尔贴（Peltier）最低温度可以达到室温下50度。原理图，如右图：以陶瓷基面。注意：放热端需要连接散热塔,主要技术参数信噪比,信噪比：信噪比是指图像传感器接收信号和噪音的比例。信噪比是衡量
6、一张样图好坏的关键参数，信噪比越大越好。信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10lg(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率。信噪比的常用值为4555db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。我们徕卡MC290HD及以上系列是信噪比是55dB，属于图像质量较好，噪声微弱。,主要技术参数阱容,阱容与像元的尺寸有关，表示单个像元储存电荷的能力，即电荷阱饱和前能储存的最大电子数。阱是集成电路的接触光的第一层，阱容就是阱的容量。,主要技术参数增益,增益的一般含义简而言之就是放大倍数增益在传感器中的含义就是图像的输出与图像的采集之间
7、的倍数。,主要技术参数动态范围,动态范围：指最高值和最低值之间的范围的一个物理量，而在图像传感器中指的是传感器同时记录强弱信号的能力。动态范围=阱容/噪声，动态范围也与增益（信号被放大程度）有关。它们的关系是增益提高一倍，阱容降低一倍，动态范围降低（增益是放大倍数）显微观察中的荧光观察需要比较大动态范围的图像传感器。,主要技术参数量子效率,量子效率是指光子激发产生电子的数量，即光信号转化为电信号的能力。最理想状态是转换与接收的比例时1：1。但是在实际中，光子也可能被吸收或者穿透。所以达不到1:1。量子效率的范围一般在75-99。影响因素：光电面的表面状态、反射等因素。,主要技术参数成像速度和b
8、inning,成像速度：每秒传输的帧数。帧数与像素大小，读取速度，数据传输速度有关。它们的比例关系：读取的像素 帧数 速度 读取的像素 帧数速度,主要技术参数成像速度和binning,在实际中，传感器通常通过binning来降低读取速度。Binning是一种图像读出模式，将相邻像元感应的电荷加在一起，以一个像素的模式读出。（binnig英文是装箱的意思）通过binning将相邻的几个像元上的信号收集在一起，作为一个大的像元来处理，通常可以取2:2,3:3,4:4像元结合在一起来处理。,1：1 binning,2：2 binning,主要技术参数成像速度和binning,Binning分为水平方
9、向Binning和垂直方向Binning，水平方向Binning是将相邻的行的电荷加在一起读出，而垂直方向Binning是将相邻的列的电荷加在一起读出，Binning这一技术的优点是能将几个像素联合起来作为一个像素使用，提高灵敏度，输出速度，降低分辨率，当行和列同时采用Binning时，图像的纵横比并不改变。如上图，当采用2:2Binning，图像的解析度将减少75%（1/2*2）。速度提高了接近于4倍。,主要技术参数,综上：1.有效像素多，拍摄的图像精度更高；2.帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致；3.CCD的芯片，图像质量要比CMOS的好一些，但速度慢；4.像素尺寸大，能够更多地接收光子
10、，不容易饱和；5.对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transfer；6.使用多通道传输的芯片，能提高传输速度；7.抗光晕技术，能够防止过度曝光对图像的影响；8.使用3-CCD技术的彩色CCD芯片，色彩更真实；9.光谱响应范围宽，可以对多种类的光敏感,分类,由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD和CMOS,CCD,CCD：（Charge Coupled Device），电荷藕合器件图像传感器 电荷在像素之间依次传递，最终集中到串联寄存器，转换为电压信号，然后放
11、大，经模数转换后形成数字信号。,CCD,为了量化收集到的电荷信号，成像器件需要将电荷转化为电压，CCD芯片采用1个(或少数几个)读出节点将电荷转换为电压，因此需要将阵列中电荷依次转移到读出节点处，这个过程也就是电荷的转移。CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。,CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的。电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚集在势阱里。当高电压的位置按照一定方向转移时，势阱的位置也会随之转移，如此，电荷就会随着移动。,CCD,为了将CCD芯片中的电荷转移到输出节点处，需要在各个像元的电极间施加不同的偏压，通过电平信号的变换实现电荷的转移
12、。通常电荷转移又分为单相驱动、双相驱动、三相驱动和四相驱动等多种方式。这几种驱动方式除了电极构造和电压波形不同外，其转移方式都是一样的。,CCD,而4相CCD，其势阱与势垒各占据2个电极的宽度阻隔相临像素间电荷的溢出能力更强。适用于高速时钟,P1 P2 P3 P4 P1 P2,CCD,CCD电荷转移方式原理演示,Bucket,Siphon pump,Rain gauge,CCD,Different bucketshold differentamounts of rain,CCD,电荷储存,因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终
13、要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为 QCoxUG,CCD,CCD工作原理演示,Contents of all bucketsmove to left,CCD,Rain gaugeis emptied,CCD,Rain gaugeis emptied,CCD,Rain gaugeis emptied,CCD,CCD,当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光放空间。,CCD,当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出。溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷
14、的电量就不能如实反映原物。也就是常说的blooming。要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些 B 让雨早点停C 间歇地，把装满水的桶到出一些D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里。,CCD,对应的方法：A 增大单位像素尺寸B 缩短曝光时间 缺点：对于暗的部分曝光不足C 间歇开关时钟电压 缺点：会降低速度D 溢出沟道和溢出门 缺点：制作复杂，且还有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法。,CCD,CCD的电荷转移途径 光电荷的转移途径有CCD表面沟道(SCCD)和体沟道(BCCD，也称埋沟道)两种方式。其中表面沟道CCD的电荷转移途径距离半导体-绝缘体分界面较近，工艺简单，动
15、态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率较低，工作频率一般在10MHz以下。为了消除这些缺点，提高CCD的工作速度，用离子注入的方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免表面态的影响，这就是体沟道CCD，其转移效率大大提高，工作频率达到100MHz，且能做成大规模集成器件。,CCD,电荷的输出 当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。CCD芯片中常用的输出方式包括电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。,CCD,CMOS,CMOS：（Complemen
16、tary Metal-Oxide Semiconductor）互补性氧化金属半导体 每个像元都有独立的节点，转换为电压信号，然后放大，经模数转换后形成数字信号。,电荷的产生,CMOS光电传感器工作时，p型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电源正极。当没有光线照射时，源极和漏极之间无电流通路，输出节点无电压输出。当光线照射到金属铝上方放置的光敏元件上时，由于光子的激发，在源极和漏极之间的p型硅衬底上表面积累电荷，从而形成电流通路，在输出节点上产生电压。由于光生电荷的数量与光强度成正比，在输出节点产生的电压也与光强成正比。CMOS的像元结构相比CCD更为复杂，其相对较小的光敏区域降低了整体的光敏特性，
17、同时也降低了芯片的满阱容量。,CMOS,CMOS的像元结构相比CCD更为复杂，尽管没有单晶硅，不会减少对蓝光的灵敏度，但其相对较小的光敏区域降低了整体的光敏特性，同时也降低了芯片的满阱容量。,CMOS,信号的输出,CMOS像元中产生的电荷信号在像元内部被直接转化为电压信号，当选通开关开启时直接输出，这也是CCD和CMOS之间最大的差别。目前大多数的CMOS都采用有源像元，每个像元中都有三个晶体管，分别用以放大信号、地址选通和复位，因此也被称为3T CMOS。为了实现更多功能，如增加电子开关、全局快门互阻抗放大器以降低固定图像噪声的相关双采样保持电路等，已相继出现了4T，5T和6T的CMOS（T
18、前数字代表每个像元中晶体管的数目）。增加像元中晶体管的数目，帮助芯片实现更多的功能并弥补某些缺点，如噪声高、快门一致性差等缺点。但由于这些晶体管是遮光的，同时也进一步降低了芯片的填充因子，降低了芯片的灵敏度。,CMOS,早期的CMOS芯片无法将放大器放在像素位置以内，称为无源光敏机构，CMOS像元主要由光电二极管和地址选通开关构成，填充因子较高，但噪声也较大。,CMOS,(1)成像过程：两者的光电转换原理相同，主要差别在于信号的读出过程不同。CCD仅有一个(或少数几个)输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS中每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压转换，信号输出的一致性
19、较差。CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，但数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声。,CCD和CMOS对比,(2)集成性：CCD中的电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂。其仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，集成度高，芯片级相机的概念也是从这里产生的。,CCD和CMOS对比,(3
20、)速度：CCD采用这个光敏元输出，只能按规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度较快。此外，CMOS的地址选通开关可随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可获得更高的速度。,CCD和CMOS对比,(4)噪声：CCD采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定的优势。而CMOS的集成度较高，各元件、电路之间距离很近，干扰较为严重，噪声对图片质量影响很大。(5)功耗：CCD需要3路电源来满足特殊时钟的需求，功耗较大；CMOS只需一个电源供电，功耗仅为CCD的1/10。,CCD和CMOS对比,CCD和CMOS对比,总结：,CCD和CM
21、OS对比,CCD和CMOS对比,从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。,CCD和CMOS对比,CCD和CMOS的发展趋势,CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。目前，市场销售的数码摄像头中以CMOS感光器件的为主。在采用CMOS为感光元器件的产品中，通过采用影像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。受市场情况及市场发展等情况的限制，摄像头采用CCD图像传感器的厂商为数不多，主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响，同时由于CCD耗电量大，工艺复杂，像素提高难度加大。未来，主要看CMOS在成像质量和CCD成本控制方面谁做的更好，就就能占领更大市场。,CCD和CMOS的未来,4 徕卡显微镜摄像头参数介绍,4 徕卡显微镜摄像头参数介绍,
