什么对你的申请最好?

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和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。东芝成像的IK-HD5 3mos 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。

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

在选择CCD还是CMOS时,最重要的问题可能是全局还是滚动快门。今天大多数CMOS传感器使用滚动快门,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,并在快门关闭和像素重置为下一次曝光时读出,允许整个传感器区域同时输出。当快门打开时,CCD接收到光线并再次积累电荷。

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),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®你刚买的HERO3有1/2.3英寸。传感器测量6.17 mm x 4.55 mm,但包装12mp在4000 x 3000像素矩阵。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方向上的像素矩阵。这决定了像素大约是1.5 μm的正方形。相比之下,一个主要的显微镜制造商推销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。格式为8.8毫米x6.6毫米,其结果是2.1 μm正方形像素。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-Chip与1-Chip

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。

每个制造商都是根据单个传感器的大小和像素矩阵来评估他们的三芯片相机,而不是综合结果。因此,一个210万像素的高清三芯片摄像头有三个210万像素的传感器。如果有效像素矩阵是全高清的1920 × 1080,那么得到的像素大小约为2.5 μm。虽然在这个例子中,像素大小仍然小于上面讨论的显微镜相机,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一个三芯片配置,尽管对于大多数生命科学应用来说,最好的传感器尺寸是1/3英寸。或者1/2。这些格式足够大,可以在像素密度和像素大小之间达到一个好的比例,同时保持相机的整体尺寸小。

在单芯片传感器的情况下,其像素矩阵被一个颜色滤光罩覆盖,通常是一种拜耳类型,它替代绿色、红色或蓝色滤光罩直接放置在每个像素上(图1(右):拜耳滤光罩)。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、蓝色、绿色和红色像素的交替行来接近人眼的敏感性。这些过滤器的结果数组是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。

虽然可以使用一个大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,但机械和空间限制的许多应用程序可能不允许使用这样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出色的视频性能特性之间实现理想的平衡。一个先进的三芯片CMOS高清摄像机如图2所示。

新兴的视频格式依赖于CMOS传感器技术的能力和不断的改进,包括超高清或四倍全高清3840 x 2160和数字电影倡议(DCI) 4K标准4096 x 2160,甚至超高视8K 7680 x 4320。摄像机、显示器、视频压缩技术和图像处理正在迅速普及,以提高分辨率和增强视频内容的沉浸感。使用这些新格式将挑战光学、存储、分发、显示和图像处理,这些在处理全高清图像时往往处于极限。我们将不得不等待,看看额外的数据和分辨率是否值得整个成像链进行必要的升级。

概括

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。此电子邮件地址正在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.


光子技术简报杂志

本文首次发表于2014年7月号光子学技术简介杂志。

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