什么对你的申请最好?

如何为生命科学、外科成像、显微镜、工业成像和专业视点广播等应用领域的专业视频选择最好的高清摄像机和成像传感器?在这些领域,物理摄像机的尺寸很重要,特殊的彩色视频特性很关键。

图1所示。在三片相机中,二色棱镜将光在绿色、红色和蓝色波长之间分离,每个通道都有专用的传感器(左图)。在单芯片相机中,彩色滤镜被放置在每个像素上(如图所示的拜耳滤镜)(右)。

在很大程度上,这些应用程序是基于动态的、实时的、实时的视频图像,人们看着显示器,并根据他们从摄像机中看到的东西做出决定。3片相机是必要的还是单片相机就足够了?那么传感器大小、格式、像素大小和像素密度呢?这些因素是如何影响你的图像的?本文将回顾并阐明在选择摄像机时要考虑的关键点,以便为您的视频应用程序获得可能的最佳结果。

CCD与CMOS.

CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)哪个更好?这要看情况,因为这两种传感器技术都有各自的优点。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,每个像素都有一个光感受器执行自己的电荷-电压转换,通常包括放大器、噪声校正和数字化电路,使传感器可以直接输出数字数据。像素通常不存储任何电荷;它们只是简单地读取在某一特定时刻有多少光照射到那个像素,然后在快门打开的情况下,从左上角到右下角逐行逐行地读出。在一个CCD传感器中,光线进入感光器并以电荷的形式存储在传感器中,然后转换成电压,缓冲,当快门关闭时以模拟信号的形式发送出去。

图2。东芝成像的IK-HD5 3mos 1080p高清摄像机。

CMOS技术的一个强大优势是,它提供数字输出,可以在像素级进行控制,这是ccd无法实现的。这在专门成像中提供了潜在的巨大优势,人们可能希望将部分扫描或特定的控制过程只应用于传感器的一部分。这种能力是有用的控制相机在不同的成像模式多光谱成像或装箱。

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。

这些快门变化以几种方式影响视频成像,特别是当有旋转运动,水平运动,激光脉冲或频闪光。ccd可以很好地管理这些运动和脉冲光条件,因为场景是在某一时刻观看或曝光的,就像抓拍一样。此外,CCD传感器(全局快门)可以更容易触发,使光或运动的同步定时到开放快门相位。

使用CMOS(滚动快门),在一定程度上可以通过快速快门速度和光源时序的结合来实现,然而,并非所有的滚动快门效应都可以克服。有CMOS传感器可以实现全球快门功能,但它们的格式和视频性能特性还不能满足许多生命科学的要求。

像素密度与像素大小

像素密度和像素大小通常是视频摄像机的混淆和误解属性。我们受到消费品行业的影响,这个行业做了惊人的工作,让我们相信像素越多越好。移动设备上的400万像素摄像头一定比800万像素摄像头好很多,对吗?

虽然像素密度是一个有价值的属性,可以有助于提高分辨率,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,特别是在低光情况下。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改善的视频性能。大多数相机制造商不会透露像素大小,但如果你知道传感器的大小和像素矩阵,一个合理的估计可以计算出来。

让我们考虑两个例子。还装有新®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,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。像素漂移是许多相机制造商使用的一种技术,通过机械补偿传感器(如三片相机)或电子补偿传感器(如单片相机)来提高空间分辨率。当使用像素移位技术时,传感器上的实际像素数可以低于指定的输出格式。通过对规格的进一步审查,可以发现该传感器的有效像素矩阵只有1360 × 1024,仅为1.4 MP,得到6.4 μm正方形像素。

在这个比较中,最具挑战性和重要的是通过事实来确定像素大小,而不是使用像素位移,因为这在相机设计中是可以接受的做法。显微镜相机的像素尺寸相当大,是GoPro的17倍多。我希望我的病理学家不要在显微镜上用GoPro。

3芯片与1芯片

那么,三芯片技术呢?它还能提供优势吗?它与今天的高画质相机有关系吗?

三片芯片相机的主要原理是使用一个棱镜将光分成红、绿、蓝三种波长,并为每个通道使用一个专用传感器(图1(左):棱镜块)。它有效地增加了传感器面积,并提供了对每个颜色通道的精确控制。因此,一开始,一个三芯片的相机提供了更好的灵敏度和色彩控制。

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都使用相同的传感器格式- 1/3英寸。比如,两款都是全高清的,一款是单芯片拜耳,一款是三芯片拜耳,哪一款更好?两个相机的像素矩阵是相同的,1920 x 1080,传感器大小是相同的1/3英寸。,所以像素大小也是一样的(2.5 μm)。哪一个会提供更好的结果?

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传感器在许多方面优于CCD,特别是在大多数手术成像、显微镜、机器视觉和广播应用中。然而,在天文学、粒子检测和某些运动成像方面也有一些特殊的应用需要考虑CCD技术。在三芯片相机中使用CMOS的成像任务中,可以充分实现单芯片相机无法比拟的提高分辨率、灵敏度和颜色再现性。对于典型的全运动视频成像,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,东芝成像系统部门(Irvine, CA)全国销售经理撰写。想了解更多信息,请通过保罗联系登普斯特先生。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


Photonics技术简报杂志

本文首先出现在2014年7月份的问题光子学技术简介杂志。

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