什么对你的应用程序是最好的?

如何选择最好的高清摄像机和成像传感器的专业视频应用,如生命科学,外科成像,显微镜,工业成像,专业视角广播,其中物理摄像机的大小是重要的,特殊的彩色视频特征是关键的?

图1所示。在3芯片相机中,二向色棱镜将光在绿色、红色和蓝色波长之间分离,每个通道都有专门的传感器(左)。在单芯片相机中,彩色滤光片被放置在每个像素上(拜耳滤光片如图所示)(右)。

在很大程度上,这些应用程序是基于动态、实时、实时地观看视频图像,人们通过观看显示器并根据他们从摄像机中看到的内容做出决定。是需要三片相机还是单片相机就足够了?传感器大小、格式、像素大小和像素密度如何?这些因素如何影响您的图像?这篇文章将回顾和阐明在相机选择中要考虑的关键点,以达到最佳的视频应用效果。

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,因为两种传感器技术都有优点。对于大多数应用来说,CMOS提供了更好的选择,但在其他应用中,CCD继续坚守阵地。两者都使用半导体将光转换成电信号。

在CMOS传感器中,每个像素都有一个感光器,执行自己的电荷-电压转换,通常包括放大器、噪声校正和数字电路,使传感器能够直接输出数字数据。像素通常不会存储任何电荷;它们只是读取在某个特定时刻有多少光照射到这个像素上,然后逐行逐行地读取,从左上到右下。在CCD传感器中,光线进入光感受器,并在传感器内以电荷的形式存储,然后转换为电压,进行缓冲,当快门关闭时作为模拟信号发送出去。

图2。东芝成像的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,并且可以以ccd无法实现的方式在像素级进行控制。这在专业成像中提供了潜在的巨大优势,人们可能希望只对传感器的一部分应用部分扫描或特定的控制过程。这种能力是有用的控制摄像机在不同的成像模式多光谱成像或装箱。

CCD优于CMOS的优点是传感器的更高量子效率(QE)和通常较低的噪音。专用于光收集与其他功能掩蔽的每个像素的比例也相对高。然而,CCD摄像机通常比CMOS消耗更多的功率,这可能是某些寿命科学应用程序或电池供电的摄像机的考虑因素。盛开是一种不需要的CCD特定工件,当图像中发生明亮的光或饱和度时,它显示为垂直涂片线。

全球对阵滚动快门

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。

这些快门的变化在几个方面影响视频成像,特别是当有旋转运动,水平运动,激光脉冲或频闪灯。ccd可以很好地处理这些运动和脉冲光条件,因为场景是在同一时刻观看或曝光的,就像一张快照。此外,CCD传感器(全局快门)可以更容易触发,使光或运动同步时间到打开快门阶段。

使用CMOS(滚动快门),可以在一定程度上通过快速快门速度和光源定时的组合来进行管理,然而,并不是所有的滚动快门现象都可以被克服。目前有一些CMOS传感器可以实现全局快门功能,但它们的格式和视频性能特性还不能满足许多生命科学需求。

像素密度与像素大小

像素密度和像素大小是摄像机经常被混淆和误解的属性。我们受到了消费品行业的影响,该行业已经做出了惊人的工作,使我们相信像素越多越好。移动设备上的4000万像素摄像头肯定比800万像素摄像头要好,对吧?

虽然像素密度是一个有助于提高分辨率的有价值的属性,但像素大小实际上会对动态范围、灵敏度和噪声有更大的影响,特别是在弱光情况下。在所有条件相同的情况下,更大的像素大小等于更大的信号和更好的视频性能。大多数相机制造商不会公开像素大小,但如果你知道传感器大小和像素矩阵,就可以计算出一个合理的估计。

让我们考虑两个例子。还装有新®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,总是尝试了解传感器上的实际或有效像素,以更准确地确定像素大小。在这个显微镜相机的例子中,规格表明12.5万像素是由像素移动派生的。像素移动是许多相机制造商用来提高空间分辨率的一种技术,通过机械补偿传感器,比如三片相机,或者电子补偿单片相机。当使用像素移位技术时,传感器上的实际像素数可能低于规定的输出格式。通过对规格的进一步审查,我们发现该传感器的有效像素矩阵只有1360 x 1024,仅为1.4万像素,结果是6.4 μm平方像素。

在这种比较中,最具挑战性和最重要的是获得确定像素大小的事实,而不是使用像素移动,因为这在相机设计中是可以接受的做法。显微相机的像素尺寸相当大,比GoPro大17倍以上。我希望我的病理学家不要在显微镜上使用GoPro。

3-Chip与1-Chip

那么三片芯片技术呢?它仍然具有优势吗?它与今天的高像素相机选项相关吗?

三片相机的主要原理是使用一个棱镜将光分离成红色、绿色和蓝色的波长,并为每个通道使用一个专用传感器(图1(左):棱镜块)。它有效地将传感器面积扩大三倍,并提供对每个颜色通道的精确控制。因此,三片芯片的相机提供了更好的灵敏度和色彩控制。

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。

如果我们比较两个使用相同传感器格式的相机- 1/3英寸。例如,两者都是全高清,一个是单芯片拜耳,另一个是三片,哪个更好?两款相机的像素矩阵是一样的,1920 x 1080,传感器大小相同,1/3英寸。,所以像素大小也相同(2.5 μm)。哪一个会提供更好的结果?

单片机仅提供100万像素的绿色数据,而三芯片相机将提供2.1 MP的绿色像素数据。此外,三芯片相机将提供红色和蓝色通道的像素信息的四倍。最终结果是提高分辨率和改善的灵敏度,特别是在低光应用中。

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。

概括

正如我们所看到的,CMOS传感器在许多方面优于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、粒子探测和某些运动成像方面,需要考虑CCD技术的一些专门应用。在3片相机中使用CMOS的成像任务中,可以完全实现单片相机无法比拟的分辨率、灵敏度和颜色再现性。对于典型的全动态视频成像而言,CMOS技术不断进步,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。

本文由Paul Dempster撰写,他是东芝成像系统部门(Irvine, CA)的全国销售经理。欲了解更多信息,请与保罗的登普斯特先生联系。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。,或者访问http://info.hotims.com/49747-200.


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本文首次发表于2014年7月号光子学技术简介金宝搏官网杂志。

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