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【小麓讲堂】相机简介
发布时间:2021-11-24 00:00:00 编辑:麓帮主 阅读次数:560

实验室常用的相机有CCD和CMOS两种,大多数CCD快门为全局快门,具有较低噪声、高动态范围以及高均匀性等特点,相较于CMOS帧率为中等,而CMOS则在读取速度与功耗上有显著的优势,同时价格也要低于CCD,随着技术发展,也出现了sCMOS这样更有优势的类型。本文对相机常见的几个参数进行介绍,方便大家挑选适合的产品。

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CCD、CMOS与sCMOS

 

相机的核心就是光电传感器,均为固态电子器件,每个都包含了上百万个离散的光探测区域,我们称这些光探测区域为像素。现在几乎所有的机器视觉传感器均可分为以下两类:电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器,两种类型各有特点,在此基础上,又发展出了sCMOS,可以解决CCD和CMOS的一些问题。

CCD

 

       CCD的英文全称是“Charge-coupled Device”,中文全称是电荷耦器元件,在1969年由科学家在美国新泽西州的贝尔实验室发明,通常称为CCD图像传感器,其具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高,功耗低,因此得到飞速发展。作为一种普遍的图像捕捉技术,CCD广泛应用于数字天文摄影和机器视觉检测。
       电荷耦合器件是指在芯片上将“电荷包”从一个感光单元移向另一个感光单元进行读出的方式,是一个简单的移位寄存器。CCD是一种半导体器件,如图1所示,其传感器是一个硅片,包含了许多的感光区域。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel),一块CCD硅片上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高,作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号,经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
 
图1. CCD结构示意。
       CCD的工作原理:
· 信号电荷的产生:依据单个像素上光敏物质的光电效应,CCD可以将入射光信号转换为电信号输出;
· 信号电荷的存储:将入射光子激励出的电荷信号收集称为“电荷包”,即信号电荷的收集;
· 信号电荷的传输(耦合):将所收集的“电荷包”从一个像元转移到下一个像元,即信号电荷包的转移;
· 信号电荷的检测:将转移到输出极的电荷转化为电流或电压的过程。
       信号电荷的输出类型有电流输出、浮置栅放大器输出和浮置扩散放大器输出三种。
       电荷传输速度是制约CCD响应速度的主要因素,但它也为CCD提供了高灵敏度并保持了像素和像素之间的一致性。因为电荷包都会经过相同的电压转换,所以CCD的感光区域非常均匀。 

图2. CCD阱深示意图。
       若在CCD电极上施加一个适当的正电压,会形成电荷耗尽区,即能够吸引电子的势阱。CCD图像传感器上每个感光像元或者输出像元可以储存的电荷最大数目叫做阱深,如图2所示,一般会标注两个阱深,一个是单像元(即感光像元),另一个是输出像元;阱深决定了可用于像元单次能接收的最大电荷信号或者输出信号。
       通常利用透镜来提高填充因子,或有效的感光区域,以弥补CCD中较低的阱深度。这提高了像素的效率,但是也增加了入射光线的角灵敏度,因此入射光线必须要以接近垂直入射的角度击中传感器方可实现有效收集。

CMOS

 

       CMOS的英文全称是“Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”,中文全称为互补式金属氧化物半导体,由Frank Wanlass在1963年发明。然而,他直到1967年才获得它的专利,80年代末,英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器。CMOS是一种集成电路的设计工艺,可以在硅质晶圆模板上制出NMOS(n-type MOSFET)和PMOS(p-type MOSFET)的基本元件,由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性,因此被称为CMOS(Complementary 的来历)。此工艺一般可用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路系统;除此之外的其他技术特性,使其可以用于光学仪器方面。
图3. CMOS结构示意。
       在CMOS传感器中,感光像素上的电荷将在像素区域内被转换为电压,电压信号以行和列进行多路复用,加增在芯片的数字模拟转换器(ADC)上。CMOS的设计结构决定其只能为数字设备。如图3所示,每个区域由一个光电二极管和三个晶体管组成,用来执行像素的重置或激活、电荷的放大和转换,以及选择多路复用的功能。这使得CMOS传感器可以高速运行,但却降低了其灵敏度。由于CMOS每个光电二极管旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微小的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。
       相对于同等的CCD传感器,CMOS传感器有一个优势,就是它的功耗要低,这是因为CMOS的电荷驱动方式为主动式,光电二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD的电量大约是CMOS的3到10倍,所以其功耗会远大于CMOS,同时,CMOS传感器能够在不出现高光溢出的情况下处理高光信号,因此,可以在特别的高动态范围相机中使用。因为数字CCD相机都需要额外的ADC电路,所以CMOS相机的尺寸也往往会小于等同功能的数字CCD相机。表1总结了CCD与CMOS性能的对比。
表1 CCD和CMOS传感器的对比

sCMOS

 

       CCD相机经常使用全局快门,在某个精确时刻曝光和捕捉图像中的每个像素,在下一次曝光前,必须处理完一帧图像中的每个像素。因为CCD帧率受限于单个像素转移和数字化的速率,所以需要传输的像素越多,相机的总帧率会越慢。CCD相机能够在中长曝光时间的研究中捕捉可靠的静态和延时图像。在生物学应用中,帧率关系到能否研究快速运动的细胞现象,包括囊泡形成、蛋白质转运和钙信号传播。为了捕捉这些细胞内事件,细胞生物学家需要100帧/秒或更快的帧率。用CCD显微技术或许能看到细微的细胞结构并测量电化学信号,但是会丢失方向和速度的数据。帧率太慢还会出现运动模糊和时间混扰等假象。sCMOS芯片的出现很好的解决了此类问题。

sCMOS在每个像素列末端都放置一个ADC,这种设计使转换队列倍增,大量像素时可达数千倍。使用sCMOS能快速产生每帧的数字信息。需要注意的是,一行ADC一次只能数字化一行像素。sCMOS相机采用卷帘快门设计,在曝光完成时能避免因等待数字化所有像素行而拖拉帧率。有些sCMOS相机提供定制触发模式,能够以卷帘快门获得全局曝光,最大化地提高sCMOS的性能。这种触发模式允许快速开关高速脉冲光源,所有sCMOS全帧图像中的所有行都可以同时曝光,因此得到全局曝光的效果。同时,相机保持在卷帘快门模式进行电荷数字化,相机保持在卷帘快门模式进行电荷数字化,在保持高速帧率的同时降低暗电流噪声,提高信噪比。相较于CCD,sCMOS速度更快,灵敏度更高,同时具有比CCD和CMOS更低的读出噪声。

2
 快门类型    

 

全局快门

 

       CCD相机使用全局快门(global shutter)。在全局快门模式下,所有像素同时开始和结束曝光,曝光完成后,来自每个像素的信号被串行传输到单个模数转换器(A/D),当图像变化速度与帧率相同或小于帧率时,不会产生扭曲或失真的图像。CCD的最终帧速率受到单个像素传输然后数字化的速率的限制。传感器中传输的像素越多,相机的总帧速率就越慢。

卷帘快门

 

       卷帘快门(rolling shutter)通过对每列像素使用A/D来提高读取速度。采用逐行曝光的模式进行曝光,每行读数之间的时间延迟转换为每行开始曝光之间的延迟。帧中的每一行将暴露相同的时间量,但在不同的时间点开始曝光,允许两帧的重叠曝光。最终帧速率取决于滚动读出过程的完成速度。相比于全局快门,卷帘快门在拍摄快速运动物体时会产生扭曲和失真。
3
黑白相机和彩色相机 

 

       量子效率是描述CCD光电转换能力的一个重要参数,它是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。随着光电面的表面状态(粗糙面或光滑面)的不同,光电子的逸出量也有变化。一般而言,CMOS传感器比CCD传感器对红外波长更灵敏。这是由于其具有较深的阱深。光子的穿透深度与频率有关,因此,特定的有效区域厚度若拥有更深的深度,就会产生更少的光电子,进而降低量子效率。
图4. LBTEK RNRT-20BW制冷相机量子效率曲线。
       CCD芯片可以将光信号转换为电信号,在这一过程当中,光子数目与电子数目互成比例。但光子还有另外一个特征值——波长,波长信息无法通过光子数与电子数这种关系进行体现。因此CCD芯片都可以被称为“色盲”,即黑白传感器。当我们需要相机显示彩色图像时,就必须给这三种基色中的每种颜色都配置一个CCD。每个CCD都只得到过滤后一个颜色分量的光子,即一个CCD用于红光,一个用于绿光,一个用于蓝光,利用三棱镜分光成像,这就是我们常说的3CCD。这样的结构就决定了他的价格要远高于普通的CCD。另外一种单CCD它是利用将彩色滤光片像马赛克一样分布在CCD所有的像素上,如图5所示,这也是我们常说的RGBG像素阵列,被称为马赛克滤光片或拜尔滤光片。相较于单CCD,3CCD的色彩具有更好的色彩校正功能,且不受拜尔滤光片的影响因而有较高的量子效率。
图5. 拜尔阵列像素排布示意。
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帧率 

   

       在显示领域,帧率为一秒播放的图片数,帧率越高,画面就越流畅,单位为每秒显示帧数(Frames per Second,FPS)。对相机来说,帧率为一秒钟可拍摄的图片数,帧率越高记录的细节就会越多,一个相机的帧率快慢主要受曝光时间、数据读取、数据传输及像素深度等因素影响。像素深度表示像素的比特位数,位数越高读出的细节越丰富,较高的比特位数会拖慢帧率,如LBTEK 制冷型科研相机RNRT-20BW在16 Bit时帧率被拖慢了一倍(16 fps@8 bit,8 fps@16 bit)。在拍摄运动物体时,用户需要选择合适帧率的相机,在普通应用场景中,用户需要在分辨率与帧率之间做出权衡,可选择较低分辨率的相机,以此来达到较高帧率的需求。在特殊应用如火焰燃烧、化学结晶过程、火箭发射、烟火分析、撞击实验、生物运动分析等实验,用户需要选择高度相机或超高速相机才能满足观测需求。
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