什么对你的应用程序是最好的?

如何为生命科学、外科成像、显微镜、工业成像和专业视角广播等应用中的专业视频选择最好的高清摄像机和成像传感器,其中物理摄像机尺寸非常重要,特殊的彩色视频特征非常关键?

图1。在3芯片相机中,二向色棱镜通过每个通道(左)的专用传感器将绿光、红光和蓝光波长分开。在单芯片相机中,彩色滤光片放置在每个像素上(显示的是拜耳滤光片)(右)。

在很大程度上,这些应用程序基于人们的动态,实时,通过观察显示的人们的视频图像,并根据他们从相机看到的东西做出决定。是一种三芯片相机,还是单片机足够的?传感器尺寸,格式,像素大小和像素密度如何?这些因素如何影响图像?本文将审查并澄清相机选择中要考虑的关键点,以实现视频应用程序的最佳结果。

CCD和CMOS

CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)哪个更好?这要视情况而定,因为这两种传感器技术都有优势。对于大多数应用而言,CMOS提供了更好的选择,但在其他应用中,CCD继续保持其优势。两者都使用半导体将光转换成电信号。

在CMOS传感器中,每个像素具有执行其自身电荷-电压转换的光感受器,并且通常包括放大器、噪声校正和数字化电路,使得传感器能够直接输出数字数据。像素通常不存储任何电荷;他们只需读取在特定时刻有多少光线照射到该像素,然后在快门打开时,从左上角到右下角逐行读取。在CCD传感器中,光进入光感受器并作为电荷存储在传感器中,然后转换为电压,缓冲,并在快门关闭时作为模拟信号发送出去。

图2.东芝映像的IK-HD5 3CMOS 1080P高清摄像机。

CMOS技术的一个强大优势是它提供数字输出,并且可以在像素级以CCD无法实现的方式进行控制。这在专业成像中提供了潜在的巨大优势,其中可能需要对传感器的一部分应用部分扫描或特定控制过程。该功能可用于控制多光谱成像或装箱的不同成像模式下的摄像机。

与CMOS相比,CCD的优势在于传感器具有更高的量子效率(QE)和更低的噪声。每个用于光收集的像素与用于其他功能的屏蔽像素的比例也相对较高。然而,CCD相机通常比CMOS消耗更多的能量,这对于某些生命科学应用或电池供电的相机来说是一个考虑因素。晕化是一种不需要的ccd特定伪影,当图像中出现强光或饱和度时,就会出现垂直的涂抹线。

Global vs.滚动快门

在决定是使用CCD还是CMOS时,最重要的问题可能是全局快门还是滚动快门。现在大多数CMOS传感器都使用滚动快门,它总是处于活动状态,从上到下逐行滚动像素。另一方面,ccd存储它们的电荷,并在快门关闭时读取,当下一次曝光时重新设置像素,允许整个传感器区域同时输出。当快门打开时,CCD接收光线并再次充电。

这些快门变化会以多种方式影响视频成像,尤其是在存在旋转运动、水平运动、激光脉冲或频闪光时。CCD可以很好地管理这些运动和脉冲光条件,就像快照一样,在某一时刻查看或曝光场景。此外,可以更容易地触发CCD传感器(全局快门),从而使光或运动同步到打开快门阶段。

使用CMOS(滚动快门),可以通过快速快门速度和光源定时进行管理,但是,并非所有滚动快门伪像都可以克服。有CMOS传感器可用于实现全局快门功能,但它们的格式和视频性能特征对于许多生命科学要求尚不开放。

像素密度与像素大小

像素密度和像素大小通常是混淆和摄像机的误解属性。我们受到消费产品行业的影响,该行业已经完成了调节我们的现象,以相信更多的像素必须更好。在移动设备上的40 MP摄像头必须比8 MM相机更好,右图:

虽然像素密度是有助于提高分辨率的有价值的属性,但是像素尺寸实际上将对动态范围,灵敏度和噪声产生更大的影响,尤其是在低光照情况下。所有等于的东西,较大的像素大小等于更大的信号和改进的视频性能。大多数相机制造商不会透露像素尺寸,但如果您知道传感器尺寸和像素矩阵,可以计算合理的估计。

让我们考虑两个例子。那个新的gopro®你刚买的HERO3有1/2.3英寸。传感器尺寸为6.17 mm x 4.55 mm,但在4000 x 3000像素矩阵中封装了12mp。要计算像素大小,只需将传感器的宽度和长度除以水平和垂直的像素矩阵。这决定了像素约为1.5 μm平方。相比之下,一个主要的显微镜制造商宣传其最新的数码相机型号,有12.5万像素,输出4080 x 3072像素矩阵。它的传感器是2/3英寸。尺寸为8.8 mm x 6.6 mm的格式,其结果为2.1 μm平方像素。如果您确信所述像素矩阵是实际的或有效的像素矩阵,那么这个比较就完成了。

如果可以,始终尝试在传感器上学习实际或有效像素,以更准确地确定像素大小。在该显微镜摄像机示例中,规格指示12.5MP由像素移位导出。像素移位是许多相机制造商使用的技术,以通过机械地偏移传感器,在三芯片摄像机的情况下,或者以电子方式用于单芯片摄像机来改善空间分辨率。当使用像素换档技术时,传感器上的实际像素数可以低于所规定的输出格式。对于对规范进行更多审查,揭示了传感器的有效像素矩阵仅为1360×1024,勉强1.4mp,导致6.4μm平方形像素。

在这种比较中,既具有挑战性和重要的是实现了确定像素大小的事实,而不是使用像素偏移,因为相机设计中是可接受的实践。显微镜摄像机的像素尺寸非常大,比GoPro大超过17倍。我希望我的病理学家不会尝试在显微镜上使用GoPro。

3-Chip与1-Chip

那么三芯片技术怎么样 - 它仍然提供优势,它与今天的高MP相机选项相关吗?

三片式摄像机的主要功能是使用棱镜将光分为红、绿、蓝三种波长,并为每个通道使用专用传感器(图1(左):棱镜块)。它有效地将传感器面积增加三倍,并提供对每个颜色通道的精确控制。因此,一款三片式摄像机可以提高灵敏度和色彩控制。

每个制造商都是根据单个传感器的大小和像素矩阵来评价他们的三片相机,而不是综合结果。因此,一个2.1百万像素的高清三片摄像头有三个2.1百万像素的传感器。如果有效像素矩阵为1920 × 1080的全高清,则得到的像素大小约为2.5 μm。虽然在这个例子中,像素大小仍然比上面讨论的显微镜相机小,但它的大小仍然足够大,以提供一个良好的结果,同时保持物理相机的尺寸小。原则上,任何尺寸的传感器都可以构造成三芯片配置,尽管对于大多数生命科学应用来说,最佳的传感器尺寸是1/3英寸。或者1/2。这些格式足够大,以实现像素密度和像素大小之间的良好比例,同时保持整体相机尺寸较小。

在单芯片传感器的情况下,它的像素矩阵被一个彩色滤光片遮罩覆盖,通常是一种拜耳类型,它交替在每个像素上放置绿色、红色或蓝色滤光片(图1(右):拜耳滤光片)。人眼对绿色波长的可见光最敏感,拜耳模式试图通过放置绿色和蓝色、绿色和红色像素交替排列来接近人眼的敏感度。这些过滤器的结果是50%的像素是绿色的,25%是蓝色或红色的。如果传感器是全高清的210万像素,那么大约有100万像素是绿色的,50万像素是蓝色的,50万像素是红色的。

如果我们比较两个相机,两者都使用相同的传感器格式 - 例如,例如,两者都是全高清,一个单芯片拜耳,另一个三芯片,哪一个更好?两个相机的像素矩阵是相同的,1920 x 1080,传感器尺寸为相同的1/3英寸,因此像素尺寸也相同(2.5μm)。哪个将提供更好的结果?

单片摄像头只能提供100万像素的绿色数据,而三片摄像头将提供210万像素的绿色数据。此外,三片摄像头将为红色和蓝色通道提供4倍的像素信息。最终结果是提高分辨率和提高灵敏度,特别是在弱光应用。

虽然可以使用大型的单芯片传感器来近似三芯片设计的像素分布和像素大小,但许多应用程序的机械和空间限制可能不允许使用如此大的传感器格式和增加的相机尺寸。三片芯片能够实现非常紧凑的机械尺寸和卓越的视频性能特性之间的理想平衡。一款先进的三片CMOS高清相机如图2所示。

新兴的视频格式依赖于CMOS传感器技术的能力和持续改进,包括超高清或四全高清3840 x 2160和数字电影倡议(DCI) 4K标准4096 x 2160,甚至超高清8K 7680 x 4320。摄像机、显示器、视频压缩技术和图像处理技术正在迅速普及,以提高分辨率和增加沉浸式视频内容。使用这些新格式将对光学、存储、分发、显示和图像处理提出挑战,这些处理全高清的技术往往处于极限。我们将不得不等待,看看额外的数据和分辨率是否值得在整个成像链中进行必要的升级。

总结

正如我们所看到的,CMOS传感器在许多方面都优于CCD,特别是在大多数外科成像、显微镜、机器视觉和广播应用中。然而,在天文学、粒子探测和某些需要考虑CCD技术的运动成像方面有一些特殊的应用。在3芯片相机中使用CMOS的成像任务中,可以完全实现单芯片相机无法比拟的分辨率、灵敏度和颜色再现性的改进。对于典型的全动态视频成像,CMOS技术将继续发展,并将满足4K等新兴格式和利用CMOS数字特性的高级图像处理功能的要求。

本文是由Paul Dempster,Toshiba Imaging Systems Division(Irvine,CA)国家销售经理Paul Dempster编写的。有关更多信息,请联系Dempster先生在保罗。此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。,或参观http://info.hotims.com/49747-200


Photonics yabovip16.comTech Briefs杂志

本文首次发表于2014年7月号Photonics技yabovip16.com术简报杂志。

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