什么是您的申请?

如何选择最佳的高清摄像机和成像传感器,用于专业视频,如生命科学,手术成像,显微镜,工业成像和专门的视角广播,其中物理摄像机尺寸是重要的,彩色视频特征危急?

图1.在3芯片摄像机中,二向色棱镜在绿色,红色和蓝色波长之间分开光,每个通道(左)都有专用传感器。在1芯片相机中,彩色过滤器放置在每个像素(显示的拜耳滤波器)(右)上。

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与CMOS.

哪个是更好的 - CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属 - 氧化物半导体)?这取决于传感器技术的优势。对于大多数应用程序,CMOS提供更好的选择,但在其他方面,CCD继续抓住其地面。两者都使用半导体将光转换为电信号。

在CMOS传感器中,每个像素具有用于执行其自身充电到电压转换的感光体,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费用;他们只是阅读了在特定时刻击中那个像素的光线,并从左上角读出,逐行逐步,按线路在快门打开时。在CCD传感器中,光进入光感受器并作为传感器内的电荷存储,然后转换为电压,缓冲,并且当快门关闭时作为模拟信号发出。

图2.东芝映像的IK-HD5 3CMOS 1080P高清摄像机。

CMOS技术的强大优势在于它提供数字输出,并且可以以与CCD不可能的方式控制像素电平。这在专用成像中提供了潜在的巨大优势,其中人们可能希望仅将部分扫描或特定控制过程应用于传感器的段。这种能力可用于控制不同成像模式的摄像机,用于多光谱成像或分布。

与CMOS相比,CCD的优点是传感器具有更高的量子效率(QE)和更低的噪声。每个像素用于光收集的比例相对于其他功能被掩盖的比例也相对较高。然而,CCD相机通常比CMOS消耗更多的能量,对于某些生命科学应用或使用电池供电的相机来说,这可以考虑。晕光是一种不需要的ccd特有的伪影,当图像中出现强光或饱和时,它会出现一条垂直的污迹线。

环球vs滚动快门

可能是在CCD或CMOS之间决定是全球范围内的最重要的问题。今天大多数CMOS传感器使用滚动快门,该滚动快门始终通过从上到下通过像素线路滚动。另一方面,CCD存储电荷并读出快门关闭时,将像素重置为下一曝光,允许同时输出整个传感器区域。当快门打开时,CCD接收光并再次累积电荷。

这些快门变化以若干方式影响视频成像,特别是当存在旋转运动,水平运动,激光脉冲或闪光灯光时。CCD管理这些动作和脉冲光线,而在一个时刻观看或暴露在一个时刻,就像一个快照镜头一样。此外,CCD传感器(全局快门)可以更容易触发,使光的同步定时或移动到打开快门阶段。

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®刚刚购买的英雄3英寸。传感器测量6.17 mm x 4.55 mm,但在4000 x 3000像素矩阵中包装12mp。为了计算像素大小,只需通过水平和垂直的像素矩阵将传感器宽度和长度划分。这决定了像素约为1.5μm的平方。相比之下,主要的显微镜制造商宣传其最新的数码相机模型之一,具有12.5mp,输出4080 x 3072像素矩阵。其传感器为2/3英寸。格式为8.8 mm x 6.6 mm,这将导致2.1μm平方像素。如果您相信规定的像素矩阵是实际或有效的像素矩阵,则此比较已完成。

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芯片与1芯片

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?

三芯片相机后面的主体正在使用棱镜将光分离成其组件红色,绿色和蓝色波长,并使用每个通道的专用传感器(图1(左):棱镜块)。它有效地重叠传感器区域并提供对每个颜色通道的精确控制。因此,从门出口,三芯片相机提供了改进的灵敏度和颜色控制。

每个制造商通过各个传感器的尺寸和像素矩阵汇率它们的三芯片摄像机,而不是组合结果。因此,2.1MP HD三芯片相机有三个2.1 MP传感器。如果有效像素矩阵为1920×1080,则得到的像素尺寸约为2.5μm。虽然在该示例中,像素大小仍然小于上面讨论的显微镜摄像头,但其尺寸仍然足够大,以提供良好的结果,同时保持物理摄像机尺寸小。在主体上,任何传感器尺寸都可以构建成三芯片配置,尽管对于大多数寿命科学应用,最好的传感器尺寸为1/3英寸或1/2英寸。格式足够大,以实现良好的比例像素密度和像素尺寸,同时保持整体相机尺寸小。

在单芯片传感器的情况下,其像素矩阵用滤色器掩模覆盖,通常是拜耳型,拜耳型,可在每个像素上直接放置的绿色,红色或蓝色滤光器(图1(右):拜耳滤波器)。人眼对绿色波长的可见光最敏感,并且拜耳图案试图通过放置交替的绿色和蓝色和绿色和红色像素来近似人眼的敏感性。这些滤波器的所得到的阵列是像素的50%是绿色的,25%是蓝色或红色。如果传感器是完整的HD 2.1MP,那么大约100万像素将是绿色的,500,000将是蓝色和500,000红色。

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,而三片摄像头可以提供210万像素的绿色数据。此外,三片摄像头将提供四倍的像素信息为红和蓝通道。最终的结果是提高分辨率和提高灵敏度,特别是在低光应用。

虽然可以使用大型单芯片传感器来近似三芯片设计的像素分布和像素大小,但许多应用的机械和空间约束可能不允许使用这种大的传感器格式和增加的相机尺寸。三芯片能够在非常紧凑的机械尺寸和卓越的视频性能特征之间实现理想的平衡。先进的三芯片CMOS高清摄像头如图2所示。

新兴的视频格式取决于CMOS传感器技术的能力和持续改进,包括超高清或Quad-Full HD 3840 x 2160和数字电影倡议(DCI)4K标准4096 x 2160甚至超级Hi-Vision 8K 7680 x 4320。摄像机,显示器,视频压缩技术和图像处理很快就可以提供分辨率和越来越沉浸式视频内容的改进。使用这些新格式将挑战光学,存储,分发,显示器和图像处理,这些图像通常在其限制处理全高清时。我们将不得不等待,看看额外的数据和分辨率是否值得整个成像链中必要的升级。

总结

正如我们所见,CMOS传感器在许多方面占据了CCD,特别是因为它适用于大多数手术成像,显微镜,机器视觉和广播应用。然而,在天文学,粒子检测和某些运动中存在一些专门的应用,以及应考虑CCD技术的运动。在三芯片摄像机中使用CMOS的成像任务中,可以完全实现通过单片机无与伦比的改进的分辨率,灵敏度和颜色再现性。对于典型的全动运动视频成像,CMOS技术继续前进,并将满足4K和高级图像处理功能的新兴格式的要求,这利用了CMOS的数字性质。

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。此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问http://info.hotims.com/49747-200


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本文首先出现在2014年7月份的问题Photonics技yabovip16.com术简报杂志。

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