数字相机基本原理.docx
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数字相机基本原理
数字相机基本原理
数字相机基本原理
数字相机简单介绍
在过去的几年里,光测量已从传统的乳液为基础的薄膜显微摄影转变成为电子影像媒体的选择。
在很多实验中成像设备是重要组成部分之一,所以理解光图像是如何被记录的并且做出有效的选择可以提高光信号检测数据的质量。
在本文中我们的目的是提供对光探测基础知识的了解,并针对具体的应用选择合适的检测器。
高性能的数字相机是由多个参数变量来定义的,所有参数变量将在以后详细讨论,为方便起见,这里只做了简要的说明。
科学相机的类型
科学的数字相机按其所用的传感器不同可以分为4种类型,他们分别是CCD、EMCCD、CMOS和ICCD相机。
不同的相机和多元化的结构决定各自的优缺点,这些都将在本节中提及。
CCD传感器种类
普通的CCD相机含有三个基本形式,分别为全帧、帧转移和隔行三种传输方式,不同的方式及其各自的优缺点将在本节中提及。
光谱响应
光谱响应是指在一定波长上探测信号的响应能力。
这一参数经常在量子效应中用到,作为探测器所产生的电荷相对于被探测光子总数所占百分比能力的衡量标准,影响光谱响应的主要因素将在本节提及。
相机的灵敏度和噪声
相机灵敏度是指相机所能探测到光信号的最小值,按照惯例我们称照在相机上的光强所产生的信号等同于相机的噪声。
因此相机的噪声就给相机的灵敏度设定了一个极限值。
数字相机间常用他们的噪声指数相互对比,噪声的主要来源有:
1、读噪声:
输出放大器固有噪声
2、暗噪声:
在无光照的情况下相机引起的热噪声(可以通过降低操作温度减弱)
3、散粒噪声(光信号):
该噪声来自光子通量本身的随机性
光信号本身固有的噪声成分通常都会被忽略(也就是散粒噪声),即信号的平方根。
其他被忽略的噪声来源都是相机在响应光信号时引起的多余噪声,通常被称作噪声因子。
动态范围
动态范围是指在同一视场内可同时探测的光信号的最大和最小强度的衡量。
通常这样计算,用能够积累的最大信号值除以最小信号值,也就是噪声与读出的信号之和。
一般情况下,它表达了数字化相关信号所需要的位数或者分贝标度。
饱和与非饱和
在一些应用中,相机能够处理大信号是十分重要的。
当一个CCD相机饱和,它就会呈现出一种有特殊垂直条文的模式,这就叫做饱和。
本节的主旨在于解释这一现象,并且提出补偿方法。
信噪比
一个相机的信噪比(通常缩写为S/N或者SNR)是输入的光信号与相机固有和后来产生的噪声的比值,它是衡量信号变量的一种方手段,可准确的估计信号的规模。
空间分辨率
数字相机所能探测的最小极限区域(通常称为像素),这将制约相机的空间分辨率。
然而,空间分辨率还受其他因素的影像,如镜头质量或者成像系统。
空间分辨率的限制通常确定了区别两个高对比度的物体所需的最小分辨率,例如,白色的点或者线在黑色的背景上。
反差作为分辨率的一个重要的因素对于高对比度的物体(例如黑白线)来说比低对比度的物体(例如临近灰色线)更容易解决。
一个相机的对比度和分辨率性能可以单列为一项技术要求,即调制传输功能(MTF)。
帧速率
数字相机的帧速率是相机对连续图像记录和存储的最快速率。
数字相机可读出图像的一部分或者多个像素同时读出以提高读出速率,因此,通常定义两种帧速率,一种是全帧读出速率,另一种是最快的读出速率。
瑕点和非均匀点
在一定程度上相机显出的瑕点会影响光信号的重现。
这取决于几个变量,如:
1、经过传感器的增益变化
2、不同区域间的噪声
EMCCD相机
EMCCD相机是允许在高帧速率的情况下进行高灵敏度测量的新型相机。
这里将概要讲述这款相机的操作方法和性能。
ICCD相机
加强CCD相机结合一个图像加强器和一个CCD相机,是一个固有的低照度相机。
另外,图像增强器具有有用的特性,他可以允许相机有很短的曝光时间。
这里将概要讲述这款相机的操作方法和性能。
CCD,EMCCD和ICCD相机的比较
这节将对CCD,EMCCD和ICCD相机做出详细比较,并强调每款相机的适用范围。
科学的数字相机
高性能的数字相机主要包括以下几种形式:
1、电荷耦合器(CCD)相机
2、电子倍增电荷耦合器(EMCCD)相机
3、互补金属氧化物半导体(CMOS)探测相机
4、图像增强型CCD相机(ICCD)
头三个探测器的硅二极管光传感器(通常称作像素)是耦合到电荷存储区域的,该区域与读出累积电荷的放大器相连接。
入射光子所产生的电荷存储到该存储区域。
如果入射光子有足够的能量,在耗尽区被吸收时它们会释放一些以电荷形式被探测到的电量。
硅的传输和吸收性能确定了探测器的光谱响应,关于量子效率将在稍后的章节中解释。
Figure1-TypicalCCDStructure
对于一个CCD,通常在整个阵列中只有一个放大器,所存储的电荷通过并行寄存器被传输到线性寄存器中,然后传到与读出放大器毗邻的输出节点。
CCD传感器最早在60年代末期被开发,该技术现在以趋于成熟。
CCD性能已经在光探测效率和减少暗信号和放大输出端的噪声中起到了推动作用。
CCD的一个缺点就是它是一个串行读出装置,并且它是以减小读出速度为代价来实现降低噪声性能的。
CMOS相机是以降低灵敏度为代价来实现高帧速率的。
Figure2-CMOSStructure
在CMOS探测器中,单个光传感器或者更典型的一列光传感器都有一个放大器与其相连。
一组列像素可由地址寄存器选中或者单个像素可由行多路选择开关选中并行读出。
一个CMOS器件基本上是一个并行的读出装置,因此可以实现特殊成像应用所要求的更高的读取速度。
CMOS探测技术仍然需要大力发展,在科学应用中与CCD的性能竞争。
为实现并行读出,CMOS放大器使用多个放大器,它们有各自的放大增益、线性度和噪声性能变量。
对于目前最先进的CMOS器件条件,在广泛的照明水平和科学应用所需的精确度条件下补偿这些变量是十分困难的。
EMCCD相机可实现保证高灵敏度的条件下高速读出。
EMCCD相机除了增加一个重要特征之外,其机构基本与CCD相同。
储存的电荷通过并行寄存器被转移到串行寄存器,但输出节点正在读出时电荷是通过另一个寄存器转移的,这个多路选择寄存器是用来放大电荷的。
一个信号可以在放大器输出噪声基础上被放大,因此,EMCCD相机较CCD相机有更高的灵敏度。
Figure3-EMCCDStructure
EMCCD相机与CCD相机有着相似的结构和可以达到的最小曝光时间限制。
加强CCD可以实现超短的曝光时间。
在图像增强器中有一个感光面(阴极)可以捕获入射光子生成相应的电荷,并且检测和放大。
Figure4-ICCDStructure
阴极的性质类似于在共聚焦显微镜和分光计中广泛应用的光电倍增管(PMTs)的感光区域。
当光子照射到阴极上时,他们利用入射光子的能量来释放电子。
释放出来的电子向由一系列被称为微通道板的倾斜管组成的电子倍增器加速。
在高压的加速作用下,入射电子获得足够的能量去撞击其他的电子已达到放大原始信号的目的。
然后这样的信号可以用几种方法探测到,可以直接用CCD探测(也称作EBCCD,即电子轰炸电荷耦合器件),也可以间接的用荧光粉和CCD来探测。
ICCD可以通过利用光电阴极和MCP间的脉冲栅极电压实现短时间曝光。
通过施加很小的正电压,阴极所释放出来的电子可以被抑制,不被探测到。
通过将电压切换为负值,从阴极出来的电子在加速通过阴极和MCP间时被放大并探测。
通过施加适当周期的电压脉冲,增强器可以在极短的时间间隔内有效的开启和关闭。
ICCD相机被应用于曝光时间很短或者需要门控的情况下,例如,库服务程序或者燃料研究方面。
在许多要求灵敏度和动态范围的科学应用中CCD相机常为首选相机。
CCD传感器选件的范围指标提供了在从天文学到光谱学的科学应用中选择最佳总体特性的前景。
CCD技术相对比较成熟,而CMOS技术仍需要大力发展,以提高在科学应用中与CCD技术的竞争力。
EMCCD相机在要求高灵敏度并且高速的应用中效果最好,如荧光显微镜或超快光谱。
EMCCD是相对较新的技术,因此当前可用的传感器形式还是相对有限的范围。
未来几年里,这些传感器将变得更快,并且有大量的形式是可用的。
CCD和CMOS技术结合的混合传感器可能会带来性能优于CCD和CMOS任何一款的传感器。
他们期待着更长远的选择,但在商业上可行钱仍有相当大的发展需要。
特别是要克服多级放大器变量补偿这个关键问题。
许多应用于CCD相机的原则也将应用于其他相机形式。
接下来的一节中,我们将提及CCD的特性,然后在稍后章节中详细介绍EMCCD相机和ICCD相机并且强调他们之间特性的差别。
CCD传感器的结构
CCD结构常用于高性能相机,描述如下:
Figure5-TypicalfullframeCCDsensorformat
全帧CCD是传感器最简单的形式,入射光子照射在整个光敏传感器阵列上。
要想读取传感器,必须先把积累的电荷一行一行的垂直转移到串行输出寄存器。
要读出每个单独的像素要先将每一行积累的电荷水平的转移到行输出寄存器。
这就是所谓的“逐行扫描”读出方式。
全帧形式一个缺点就是由于在光照在传感器上时所积累的电荷也在被转移到输出寄存器而造成的电荷拖尾效应。
为了避免这一现象发生,设备有时会利用一个机械快门在读出过程中遮盖住传感器。
然而,机械快门存在寿命问题并且相对缓慢。
在光谱探测或者使用脉冲光源的情况下是不需要使用快门的。
全帧CCD相机是现有的中灵敏度最好的CCD相机,并且它可以有效的工作在不同照度条件下。
Figure6-TypicalframetransferCCDsensorformat
帧转移CCD使用的是被分为两部分的传感器,其中一半并列阵列用作存储区域,通过使用不同光膜遮挡以达到不受光照的目的。
入射光子可以照射在未被遮挡的部分上,所积累的电荷将被迅速的(在几毫秒的时间里)转移到被遮挡的存储区域以方便电荷向串行输出寄存器的转移。
当传感器的感光部分的信号被积分时,已存储的电荷将被读出。
与全帧设备相比帧转移设备具有较高的帧速率,而且具有高占空比的优点,即传感器经常处于收集光信号的状态。
尽管它们明显优于全帧设备,但是这种结构还是存在缺点的,就是在从CCD的光敏区域向被遮盖区域转移时容易出现电荷拖影效应。
帧转移CCD具有和全帧设备一样的灵敏度,但是由于需要大规模的传感器来提供帧存储区域,所以价格比较昂贵。
Figure7-TypicalinterlineCCDsensorformat
行间转移CCD合并了电荷转移通道,成为隔行遮挡结构(如上图7)。
这些通道紧邻感光二极管,因此可以再图像采集完成后迅速的将所积累的电荷转移到通道中去。
快速的图像采集几乎消除了图像拖影现象。
具有电子快门的行间转移CCD相机可以通过改变感光二极管两端的电压,使产生的电荷注入到光电底层而不是转移到传输通道。
隔行装置存在这样的缺点,隔行遮挡有效的减少了传感器上感光区域的面积。
这可以通过使用微透镜阵列来提高感光二极管填充因子来弥补。
这种补偿通常最适合平行光照射情况,对于一些特殊应用则需要广角照射条件下补偿以明显提高灵敏度。
光谱响应(量子效应)
CCD的光谱响应(或量子效应)受探测器耗尽区吸收光子的能力管制。
只有在耗尽区光子被转化为电子,随后被构成像素的电场吸收。
电荷被耗尽区吸收后转移并检测。
为了强调光谱响应的效果,让我们仔细考察典型CCD探测器的界面结构,如图8所示:
Figure8-CCDcrosssectionshowingdepletionregion
照射在CCD上的光子要首先利用电子快门摆脱区域控制,通过电子快门适当的时钟电压可以产生构成耗尽区域边缘的电场,并且可以将电荷转移出CCD。
这个快门在某种程度上可以吸收和反射所有波长的光,并且减小了光谱响应,使其低于一个光子产生一个电子的理论最大值(比如可见光)。
对于较短波长的光(蓝光)被吸收的更为显著,而对于低于350nm的光,在耗尽区探测到之前就会吸收所有的光子。
对于较长波长的光(即红色光子)被硅质的CCD吸收的可能性很低,并且光子可以穿过耗尽区而不会被探测到,因此降低了设备对红光的灵敏度。
波长大于1.1um的光子没有足够的能量来释放自由电子,因此他们不能被硅质CCD探测到。
结合各种吸收效果决定了CCD相机的光谱灵敏度。
光谱灵敏度通常表示为量子效率曲线,这里探测特定波长光子的能力用百分比表示。
例如,每10个光子中有一个被探测到可表示为量子效率为10%。
典型CCD的量子效率曲线如图9所示。
Figure9-QECurves
有电子快门引起的损失可以通过有背照的CCD完全消除。
在此设计中,光子照射到CCD后面的一定区域上,这部分硅的体积将被刻蚀变薄直到变成透明为止(厚度大约为10-15um)。
Figure10-BackilluminatedCCDcrosssection
迄今为止,…精致的、相对昂贵的传感器只用于高端的科学级CCD相机中。
经多次测试,通过减少电子快门的吸收量可以有效的提高灵敏度。
比较成功的测试已经包括了阻碍较小的栅电极结构,如开放式电极或虚拟相技术(德州仪器的专有技术),或者在柯达™蓝加™技术中采用更透明的栅电极材料,如铟锡氧化物。
相机的灵敏度和噪声
Figure11-Relativesensitivityofscientificcameratothehumaneye
相机的灵敏度通常可表示为光子的数量或者在一定程度上根据人们观察得到的光子通量,即所谓的勒克斯。
1lux是对每平方米1流明的照度的衡量。
流明是光度计量单位,就像瓦特是衡量眼睛对标准观察物的反应。
人眼对不同波长光的灵敏度是不同的,这暗示了光子的数量相当于某一光度数量。
上述的光子转换表中提出波长为555nm单一为黄色的绿光为人眼探测灵敏度最大值。
对于流明在给定最低灵敏度是光子的数量是不同的,例如,看下表描述了人们用不同方法观察到的最小光线标准。
人的视觉观察灵敏度
对辐射线的详细测量方法(这里考虑到人们对光强的感知能力)将在稍后的一节中介绍。
如果某一光信号导致相机的信号低于相机的噪声无法被探测到,因此,相机的总噪声是定义相机灵敏度的有效方法。
相机探测到的噪声的大量来源将在稍后一节中介绍。
这里我们将集中介绍三种较主要的噪声源,他们分别是:
1、传感器读出噪声
2、热噪声
3、信号本省的噪声:
光子噪声
整个相机的噪声是一个总和,(即各种噪声的平方和再开方)。
稍后将介绍读出噪声是除EMCCD相机外传感器固有的,它会限制大多数相机的灵敏度。
读出噪声是由多个噪声源综合得来的,来源于放大和光电转换生成电压的过程。
多年来读出噪声已得到明显改善,但是由于不断增加的带宽要求导致相机的独处速度越快噪声就越大。
低噪声CCD相机通常被用于读出速度很低的情况下,因此被称为慢扫描CCD相机。
第二种噪声源是由硅传感器生成电子所释放出来的热量引起的按噪声。
新近的CCD设计技术已将按噪声减小到可以忽略的程度了,在室温条件下,降低了对总的读出噪声的作用到每像素10个电子。
为达到极端灵敏度,将CCD冷却至零下100度是有必要的。
一些常温相机在极短的积分时间内可能会产生可以忽略不计的暗信号。
用冷却的方法来减少暗信号,并且在明显无暗电荷积累的情况下使积分时间延长到几小时。
Figure12-Noiseversusexposuretime
由图12的表格可知,通过计算DW436这款相机的灵敏度和噪声这一实例我们可以得到这样的结论相机制冷到零下65度或者零下25度曝光时间会从1秒延长到1000秒。
注意:
噪声是一种平均计算,实际测量的峰峰值是通常是噪声平均值的5倍。
在稍后的章节中你将看到在保证信号大于读出噪声平方的前提下用相当高的点评探测信号。
信噪比
灵敏度和噪声的相关测量即信噪比,让我们来考虑一下普通相机的理论预测信噪比。
热噪声器件的暗噪声是温度和曝光时间的函数,限制在曝光时间极端,并且CCD冷却至零下温度。
我们忽略其他影响信噪比因素,尤其是对EMCCD和ICCD相机。
这在稍后章节中将做出详细介绍。
空间分辨率
一个相机的分辨率是像素和成像尺寸的函数。
在科学级相机领域超过1000×1000传感器(1百万像素)的CCD阵列已司空见惯了。
目前相机的发展趋势趋于传感器尺寸逐渐减小,消费市场当前流行的相机像素只有4×4微米。
在我们考虑在特定应用场合最实用的像素尺寸时一定要考虑到该尺寸的像素所成的图像能否达到满意的效果。
考虑到直径小于一个像素的圆形物体的成像,如果图像直接落在像素中心,则相机直接将其还原为一个像素。
即使物体在垂直的4个像素上成像,相机仅仅是根据调光器将其还原为一个正方形,而不是真实的还原。
当所成图像落在像素的中心或者像素的定点时,如果所成图像的尺寸恰好是一个或者两个像素的对角线,则图像的还原仍是失真的还原,完全不同。
Figure15-CCDOutputpatterns
只有当物体成像覆盖3个像素时我们才能得到满意的还原图像,并且可以清晰的重现圆形物体。
图像质量已经独立于物体图像的中心的位置是在一个像素中心或顶点像素。
乃奎斯特法则规定数字化取样频率是模拟频率的二倍,通常建议对于物体成像尺寸来讲一个“采样率”为二个像素。
在奈奎斯特定理涉及二维信号,如音频和电信号,这不适合用于一幅图像,它有三个方向的强度与x和Y空间维度相对。
除了离散像素其他因素如高质量的成像系统和相机噪音都限制着图像还原的精度。
一个光学系统的相机的分辨率和性能可以通过被称为调制传递的函数(MTF)特定化。
调制传递函数是一种对相机和光学系统在一定的空间分辨率的条件下传输样本和中间图像平面对比的能力。
计算MTF这一机制经常用在光学制造商纳入决议,并对比数据成为一个单一的规格。
这一概念源自与对输出信号调制成度有关的电气工程中使用的标准公约。
Figure16-MeasurementofMTF
典型的具有10x10和20x20微米像素的CCD相机的MTF曲线如图17所示。
其中横坐标表示的是投射在传感器表面的正弦信号的空间分辨率,坐标中还显示了调制百分比。
分辨率的限制通常界定在3%调制水平。
Figure17-MTFforCCD
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