1、攝像頭介紹,1 攝像頭原理 2 攝像頭主要參數(shù)解讀 3 CCD和CMOS區(qū)別 4 徠卡顯微鏡攝像頭介紹,攝像頭原理,攝像頭原理： 1被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到圖像傳感器芯片上， 傳感器根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號(hào)，經(jīng)過預(yù)中放大電路放大、自動(dòng)增益控制，于由圖像處理芯片處理的是數(shù)字信號(hào)，所以經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換到圖像數(shù)字信號(hào)處理IC（DSP）。同步信號(hào)發(fā)生器主要產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)（由晶體振蕩電路來完成），即產(chǎn)生垂直和水平的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)，到圖像處理IC。然后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路通過輸出端子輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)。 簡單說：攝像頭就是通過光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)

2、換成電信號(hào),主要技術(shù)參數(shù)像元,像元（像素）：傳感器的基本單位，由光電二極管（硅）構(gòu)成，當(dāng)硅被激發(fā)后發(fā)射電子，然后由控制電路將溢出的電子轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 1.光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件。 2.光電二極管原理 是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。 3.像元的特性： 像元產(chǎn)生的電信號(hào)的強(qiáng)弱和

3、光電二極管吸收的光子數(shù)成正比，光子數(shù)與曝光時(shí)間和光的強(qiáng)度有關(guān)。 單個(gè)像元的尺寸決定了像元到達(dá)飽和所需吸收的光子量。顯微鏡相機(jī)的像元尺寸在2-24um，我們徠卡攝像頭一般在2-4um之間，是選用比較頂尖的傳感器，例如MC190HD像素面積可以達(dá)到1.671.67m，傳感器面積達(dá)到1/2.3英寸,主要技術(shù)參數(shù)分辨率,分辨率：分辨圖像能力，用以描述圖像細(xì)節(jié)分辨程度。 通常它是以橫向和縱向像素點(diǎn)的數(shù)量來衡量的，表示成水平像素點(diǎn)數(shù)垂直像素點(diǎn)數(shù)的形式。在一個(gè)固定的平面內(nèi)，分辨率越高，意味著可使用的細(xì)節(jié)越多，圖像越細(xì)致；但相對的，因?yàn)榧o(jì)錄的信息越多，數(shù)據(jù)量也就會(huì)越大。 一般，分辨率與像素是成正比的，像素越多

4、，分辨率也越高。 對于圖像傳感器芯片而言，有兩種提高分辨率的途徑： 1.是在不改變單個(gè)像元大小的前提下，擴(kuò)展芯片的尺寸。 2.就是縮小單個(gè)元的尺寸以在同樣的芯片面積上擁有更多的像元。,主要技術(shù)參數(shù)幀數(shù),幀數(shù)，即為幀生成數(shù)量的簡稱。是攝像頭采集的視頻每秒放映的畫面數(shù)。 幀數(shù)就是在1秒鐘時(shí)間里傳輸?shù)膱D片的量，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一幀都是靜止的圖象，快速連續(xù)地顯示幀便形成了運(yùn)動(dòng)的假象。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動(dòng)畫。每秒鐘幀數(shù) (fps) 愈多，所顯示的動(dòng)作就會(huì)愈流暢。,主要技術(shù)參數(shù)信噪比,物理學(xué)上，所有的信號(hào)都伴

5、有噪聲，噪聲的類型及其所帶來的影響和圖像傳感器的種類有關(guān)。 噪聲的分類： 背景噪聲：屬于基本噪聲，是熱激發(fā)產(chǎn)生，曝光時(shí)間越長，背景噪聲越大。 讀取噪聲：信號(hào)讀取時(shí)產(chǎn)生，降低讀取速率可以降低讀取噪聲。 光電散粒噪聲：具有隨機(jī)性。 背景噪聲是基本噪聲，所以采取制冷的方式可以最大限度降低暗電流堆積，降低噪音。保持長時(shí)間曝光。 制冷的方式：風(fēng) 冷 水/油冷 半導(dǎo)體制冷：常用帕爾貼（Peltier）,占用空間較大，效果不顯著,主要技術(shù)參數(shù)信噪比,其中半導(dǎo)體制冷：用帕爾貼（Peltier） 最低溫度可以達(dá)到室溫下50度。 原理圖，如右圖：以陶瓷基面。 注意：放熱端需要連接散熱塔,主要技術(shù)參數(shù)信噪比,信噪比

6、：信噪比是指圖像傳感器接收信號(hào)和噪音的比例。 信噪比是衡量一張樣圖好壞的關(guān)鍵參數(shù)，信噪比越大越好。 信噪比的計(jì)量單位是dB，其計(jì)算方法是10lg(PS/PN)，其中Ps和Pn分別代表信號(hào)和噪聲的有效功率。 信噪比的常用值為4555db，若為50db，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60db，則圖像質(zhì)量優(yōu)良，不出現(xiàn)噪聲。 我們徠卡MC290HD及以上系列是信噪比是55dB，屬于圖像質(zhì)量較好，噪聲微弱。,主要技術(shù)參數(shù)阱容,阱容與像元的尺寸有關(guān)，表示單個(gè)像元儲(chǔ)存電荷的能力，即電荷阱飽和前能儲(chǔ)存的最大電子數(shù)。 阱是集成電路的接觸光的第一層，阱容就是阱的容量。,主要技術(shù)參數(shù)增益,增益的一般含義簡而

7、言之就是放大倍數(shù) 增益在傳感器中的含義就是圖像的輸出與圖像的采集之間的倍數(shù)。,主要技術(shù)參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍,動(dòng)態(tài)范圍： 指最高值和最低值之間的范圍的一個(gè)物理量，而在圖像傳感器中指的是傳感器同時(shí)記錄強(qiáng)弱信號(hào)的能力。 動(dòng)態(tài)范圍=阱容/噪聲，動(dòng)態(tài)范圍也與增益（信號(hào)被放大程度）有關(guān)。 它們的關(guān)系是增益提高一倍，阱容降低一倍，動(dòng)態(tài)范圍降低（增益是放大倍數(shù)） 顯微觀察中的熒光觀察需要比較大動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器。,主要技術(shù)參數(shù)量子效率,量子效率是指光子激發(fā)產(chǎn)生電子的數(shù)量，即光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力。 最理想狀態(tài)是轉(zhuǎn)換與接收的比例時(shí)1：1。但是在實(shí)際中，光子也可能被吸收或者穿透。所以達(dá)不到1:1。量子效率的范圍一般在

8、75-99。 影響因素：光電面的表面狀態(tài)、反射等因素 。,主要技術(shù)參數(shù)成像速度和binning,成像速度：每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)。幀數(shù)與像素大小，讀取速度，數(shù)據(jù)傳輸速度有關(guān)。 它們的比例關(guān)系： 讀取的像素 幀數(shù) 速度 讀取的像素 幀數(shù)速度 ,主要技術(shù)參數(shù)成像速度和binning,在實(shí)際中，傳感器通常通過binning來降低讀取速度。 Binning是一種圖像讀出模式，將相鄰像元感應(yīng)的電荷加在一起，以一個(gè)像素的模式讀出。（binnig英文是裝箱的意思） 通過binning將相鄰的幾個(gè)像元上的信號(hào)收集在一起，作為一個(gè)大的像元來處理，通常可以取2:2,3:3,4:4像元結(jié)合在一起來處理。,1：1 binni

9、ng,2：2 binning,主要技術(shù)參數(shù)成像速度和binning,Binning分為水平方向Binning和垂直方向Binning，水平方向Binning是將相鄰的行的電荷加在一起讀出，而垂直方向Binning是將相鄰的列的電荷加在一起讀出，Binning這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能將幾個(gè)像素聯(lián)合起來作為一個(gè)像素使用，提高靈敏度，輸出速度，降低分辨率，當(dāng)行和列同時(shí)采用Binning時(shí)，圖像的縱橫比并不改變。 如上圖，當(dāng)采用2:2Binning，圖像的解析度將減少75%（1/2*2）。速度提高了接近于4倍。,主要技術(shù)參數(shù),綜上： 1.有效像素多，拍攝的圖像精度更高； 2.幀頻高，速度快，拍攝的運(yùn)動(dòng)過程更

10、細(xì)致； 3.CCD的芯片，圖像質(zhì)量要比CMOS的好一些，但速度慢； 4.像素尺寸大，能夠更多地接收光子，不容易飽和； 5.對于高精密測量，應(yīng)盡量使用整個(gè)像素面積都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transfer； 6.使用多通道傳輸?shù)男酒?，能提高傳輸速度?7.抗光暈技術(shù)，能夠防止過度曝光對圖像的影響； 8.使用3-CCD技術(shù)的彩色CCD芯片，色彩更真實(shí)； 9.光譜響應(yīng)范圍寬，可以對多種類的光敏感,分類,由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來完成這兩個(gè)過程。 我們常用的是 CCD和CMOS,CCD,CCD：（Charge Coupl

11、ed Device），電荷藕合器件圖像傳感器 電荷在像素之間依次傳遞，最終集中到串聯(lián)寄存器，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)。,CCD,為了量化收集到的電荷信號(hào)，成像器件需要將電荷轉(zhuǎn)化為電壓，CCD芯片采用1個(gè)(或少數(shù)幾個(gè))讀出節(jié)點(diǎn)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，因此需要將陣列中電荷依次轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點(diǎn)處，這個(gè)過程也就是電荷的轉(zhuǎn)移。CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移是由各極板下面的勢阱不對稱和勢阱耦合引起的。,CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移是由各極板下面的勢阱不對稱引起的。電壓高的地方，就會(huì)產(chǎn)生相對的勢阱，電荷會(huì)聚集在勢阱里。當(dāng)高電壓的位置按照一定方向轉(zhuǎn)移時(shí)，勢阱的位置也會(huì)隨之轉(zhuǎn)移，如此，電荷就會(huì)隨著移動(dòng)。,CCD

12、,為了將CCD芯片中的電荷轉(zhuǎn)移到輸出節(jié)點(diǎn)處，需要在各個(gè)像元的電極間施加不同的偏壓，通過電平信號(hào)的變換實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。通常電荷轉(zhuǎn)移又分為單相驅(qū)動(dòng)、雙相驅(qū)動(dòng)、三相驅(qū)動(dòng)和四相驅(qū)動(dòng)等多種方式。這幾種驅(qū)動(dòng)方式除了電極構(gòu)造和電壓波形不同外，其轉(zhuǎn)移方式都是一樣的。,CCD,而4相CCD ，其勢阱與勢壘各占據(jù)2個(gè)電極的寬度阻隔相臨像素間電荷的溢出能力更強(qiáng)。適用于高速時(shí)鐘,P1 P2 P3 P4 P1 P2,CCD,CCD電荷轉(zhuǎn)移方式原理演示,Bucket,Siphon pump,Rain gauge,CCD,Different buckets hold different amounts of rain,CC

13、D,電荷儲(chǔ)存,因?yàn)槊總€(gè)CCD單元都是一個(gè)電容器，所以它能儲(chǔ)存電荷。但是，當(dāng)有電荷包注入時(shí)，勢阱深度將隨之變淺，因?yàn)樗冀K要保持極板上的正電荷總量恒等于勢阱中自由電荷加上負(fù)離子的總和。每個(gè)極板下的勢阱中所能儲(chǔ)存的最大信息電荷量Q為 QCoxUG,CCD,CCD工作原理演示,Contents of all buckets move to left,CCD,Rain gauge is emptied,CCD,Rain gauge is emptied,CCD,Rain gauge is emptied,CCD,CCD,當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感

14、光區(qū)域。為下一次感光放空間。,CCD,當(dāng)一個(gè)像素聚集過多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出。溢出的電荷會(huì)跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電荷的電量就不能如實(shí)反映原物。也就是常說的blooming。要避免這種情況發(fā)生的方法： A 把桶做大些 B 讓雨早點(diǎn)停 C 間歇地，把裝滿水的桶到出一些 D 做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里。,CCD,對應(yīng)的方法： A 增大單位像素尺寸 B 縮短曝光時(shí)間 缺點(diǎn)：對于暗的部分曝光不足 C 間歇開關(guān)時(shí)鐘電壓 缺點(diǎn)：會(huì)降低速度 D 溢出溝道和溢出門 缺點(diǎn)：制作復(fù)雜，且還有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法。,CCD,CCD的電荷轉(zhuǎn)移途徑 光電荷的轉(zhuǎn)移途徑有

15、CCD表面溝道(SCCD)和體溝道(BCCD，也稱埋溝道)兩種方式。其中表面溝道CCD的電荷轉(zhuǎn)移途徑距離半導(dǎo)體-絕緣體分界面較近，工藝簡單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受表面態(tài)的影響，轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率較低，工作頻率一般在10MHz以下。為了消除這些缺點(diǎn)，提高CCD的工作速度，用離子注入的方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免表面態(tài)的影響，這就是體溝道CCD，其轉(zhuǎn)移效率大大提高，工作頻率達(dá)到100MHz，且能做成大規(guī)模集成器件。,CCD,電荷的輸出 當(dāng)完成對光敏元陣列的掃描后，CCD將光電荷從光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移至屏蔽存儲(chǔ)區(qū)域。而后，光電荷被按順序轉(zhuǎn)移

16、至讀出寄存器。CCD芯片中常用的輸出方式包括電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。,CCD,CMOS,CMOS：（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體 每個(gè)像元都有獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)。,電荷的產(chǎn)生,CMOS光電傳感器工作時(shí)，p型硅襯底和源極接電源負(fù)極，漏極接電源正極。當(dāng)沒有光線照射時(shí)，源極和漏極之間無電流通路，輸出節(jié)點(diǎn)無電壓輸出。當(dāng)光線照射到金屬鋁上方放置的光敏元件上時(shí)，由于光子的激發(fā)，在源極和漏極之間的p型硅襯底上表面積累電荷，從而形成電流通路，在輸出節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生電壓。由于光生

17、電荷的數(shù)量與光強(qiáng)度成正比，在輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的電壓也與光強(qiáng)成正比。 CMOS的像元結(jié)構(gòu)相比CCD更為復(fù)雜，其相對較小的光敏區(qū)域降低了整體的光敏特性，同時(shí)也降低了芯片的滿阱容量。,CMOS,CMOS的像元結(jié)構(gòu)相比CCD更為復(fù)雜，盡管沒有單晶硅，不會(huì)減少對藍(lán)光的靈敏度，但其相對較小的光敏區(qū)域降低了整體的光敏特性，同時(shí)也降低了芯片的滿阱容量。,CMOS,信號(hào)的輸出,CMOS像元中產(chǎn)生的電荷信號(hào)在像元內(nèi)部被直接轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，當(dāng)選通開關(guān)開啟時(shí)直接輸出，這也是CCD和CMOS之間最大的差別。目前大多數(shù)的CMOS都采用有源像元，每個(gè)像元中都有三個(gè)晶體管，分別用以放大信號(hào)、地址選通和復(fù)位，因此也被稱為3T CM

18、OS。為了實(shí)現(xiàn)更多功能，如增加電子開關(guān)、全局快門互阻抗放大器以降低固定圖像噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路等，已相繼出現(xiàn)了4T，5T和6T的CMOS（T前數(shù)字代表每個(gè)像元中晶體管的數(shù)目）。增加像元中晶體管的數(shù)目，幫助芯片實(shí)現(xiàn)更多的功能并彌補(bǔ)某些缺點(diǎn)，如噪聲高、快門一致性差等缺點(diǎn)。但由于這些晶體管是遮光的，同時(shí)也進(jìn)一步降低了芯片的填充因子，降低了芯片的靈敏度。,CMOS,早期的CMOS芯片無法將放大器放在像素位置以內(nèi)，稱為無源光敏機(jī)構(gòu)，CMOS像元主要由光電二極管和地址選通開關(guān)構(gòu)成，填充因子較高，但噪聲也較大。,CMOS,(1) 成像過程：兩者的光電轉(zhuǎn)換原理相同，主要差別在于信號(hào)的讀出過程不同。CCD僅

19、有一個(gè)(或少數(shù)幾個(gè))輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出，其信號(hào)輸出的一致性非常好；而CMOS中每個(gè)像素都有各自的信號(hào)放大器，各自進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸出的一致性較差。CCD為了讀出整幅圖像信號(hào)，要求輸出放大器的信號(hào)帶寬較寬，而在CMOS中，每個(gè)像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，但數(shù)以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲。,CCD和CMOS對比,(2) 集成性：CCD中的電路和器件是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，工藝較復(fù)雜。其僅能輸出模擬電信號(hào)，需要后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源和同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS能將圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器等集成到一塊芯片上，集成度高，芯片級(jí)相機(jī)的概念也是從這里產(chǎn)生的。,CCD和CMOS對比,(3) 速度：CCD采用這個(gè)光敏元輸出，只能按規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個(gè)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)控制，讀出速度較快。此外，CMOS的地址選通開關(guān)可隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸出，在僅輸出