【分享】数字成像技术

“感光传感器，尤其是CCD，是摄像头最最核心的部件，是数字相机的心脏。”
而事实并非如此：感光传感器，尤其是CCD，在摄像头中的功能是将透过镜头的光线捕获并转换为电子信号，与其说是数字相机的心脏，不如说是数字相机的眼睛。在研究级摄像头中，CCD或CMOS感光传感器虽然是十分重要的元部件，在很大程度上决定了摄像头的像素，但CCD/CMOS芯片在摄像头的成本中并不占主导位置，尤其是在越高端的领域这一特性表现越为突出。
从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：
信息读取方式
CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。
速度
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。
电源及耗电量
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
成像质量
CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
此外，CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的：
内部结构（传感器本身的结构）
CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。
CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，它可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。
外部结构（传感器在产品上的应用结构）
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。
CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一个芯片就可以实现很多功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。

什么是数字摄像头
所有CCD芯片都属于模拟元件，但当图像数据进入计算机时却是数字信号。如果数据是在摄像头、采集卡两部分完成数字化的，这个摄像头就是模拟摄像头。而数字摄像头则是在摄像头内部完成数字化的，这样可以减少图像的噪音。与模拟摄像头相比，数字摄像头显著提高了摄像头的信噪比、增加了摄像头的动态范围、最大化图像灰度范围。科学研究级的绝大多数的CCD/CMOS芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造的。
CCD与COMS的分类
CCD与CMOS按成像过程可以分为2大类：动态（fast scan）和静态（slow scan）；按应用场合不同可以分为专业级和民用级。常见的视频聊天摄像头（如罗技）与各种数字相机使用的分别是民用级动态和静态CCD/CMOS。
CCD的成像原理
CCD成像的过程是这样的：CCD表面被覆的硅半导体光敏元件捕获光子后产生光生电子，这些电子先被积蓄在CCD下方的绝缘层中，然后由控制电路以串行的方式导出到模数电路中，再经过DSP等成像电路形成图像。fast scan 和slow scan最大的区别就在于光生电子导出的速度和电路系统上不同。fast scan 导出电子的频率非常快，以便能达到视频级的刷新率，但这将导致电子丢失、噪声增多、光生电子清空不彻底；而slow scan 则相反，它的电路设计重在对光生电子积蓄的保护上，导出的频率不高，但保证传出过程中电子丢失和损耗降到极小，它的模数转换器动态范围和灵敏度极高，保证了信号转换过程不失真，同时为了减低热效应产生的噪声，一般使用Cooling 系统降温。
看了上面的解释我们可以知道专业级的科研用摄像头为什么那么贵了，从CCD感光层的材料和面积开始、到光生电子的积蓄、到电子的导出电路、传输电路、模数转换电路、图像显示电路、Cooling电路，每一步专业级科研摄像头的工艺都和民用级的不同，成本都在几十倍到几百倍以上。目的只有一个，专业级摄像头能尽可能完整的采集到所有的光信号。一般来说，民用级摄像头或数码相机只能反映50%以下的光信号。
评价CCD的基本指标
主要包括像素值、信噪比、冷却温度等
信噪比（SNR）
信噪比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，图像到处可见雪花。-20°C的摄像头可以拍摄高达5分钟的图像，-40°C的摄像头拍摄时间可以超过1小时。
CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。
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。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。
摄像头与数码相机
如前文所述，专业摄像头与数码相机在工艺、成本、技术含量、成像质量上差异明显，不是一个级别的产品。具体到实际应用中，数码相机存在以下主要问题：
数码相机有自动曝光功能，在不同光源的情况下拍出来的图像都不一样，很难定性，如要测量图像的面积、光密度等，非要专业摄像头莫属。
数码相机无法实现实时预览功能。
在特殊照明条件下，如荧光，暗场条件下难以保证成像质量。
在凝胶成像等仪器上如果用数码相机的话会导致电子丢失、损耗等，使得不能完全捕捉到信号，对结果的分析不是很准确！

楼主介绍的好详细,学习了!

那我请教楼主一下130万的成像系统在显微镜上成像怎么样算出来呢？（物镜是20X。成像到电脑的分辨率1024X768)它的总的放大倍数是多少？

可是我感觉无论是速度还是感光度都是ccd好点…………晕