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

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--24um²，我们徕卡摄像头一般在2--4um²之间，是选用比较顶尖的传感器，例如MC190HD像素面积可以达到1.67×1.67µm²，传感器面积达到1/2.3英寸

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，像素越大（多），分辨率也越高。

对于图像传感器芯片而言，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。

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。

帧率：每秒显示的图片数。影响画面流畅度，与画面流畅度成正比：帧率越大，画面越流畅；帧率越小，画面越有跳动感。

由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面之帧率高于16的时候，就会认为是连贯的，此现象称之为视觉暂留。并且当帧速达到一定数值后，再增长的话，人眼也不容易察觉到有明显的流畅度提升了。

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。

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45~55db，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。

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。

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。

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 。

成像速度和binning

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 ▼

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

成像速度和binningBinning分为水平方向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。

CCD和CMOS区别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，然后放大，经模数转换后形成数字信号。

CMOS：（Complementary 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。

SCMOS：科学级图像传感器，---专为高通量筛选及DNA测序的革命性产品。

CCD和CMOS区别

CCD CMOS

响应速度 慢 快

动态范围 高 低

分辨率 高 低

噪声控制 好 差

感光度 高 低 CMOS包含了大量电路和放大器，压缩了单一像素的面积，所以纯感光的面积变小

功耗 较大 较小

良率 较低 较高

成本 较高 较低

CCD和CMOS区别

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。 未来，主要看CMOS在成像质量和CCD成本控制方面说做的更好，就就能占领更大市场。

谢谢！

TKS

技术工程师