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相機規(guī)格參數(shù)簡介
2025-03-11
光學相機是利用光學成像原理形成影像并使用底片記錄影像的設備，探測質(zhì)量通常與多個因素有關。
一、相機結構
一部完整的相機有多個結構組成，包括電源連接器、電路控制器、感光元件、光學鏡頭三大部分。其中鏡頭用于控制相機拍攝光通量，直接決定成像效果，圖像傳感器是一種將光信號轉換為電信號的光電轉換器件，光信號通過感光芯片轉變?yōu)殡娦盘?，再由模擬信號處理將電信號傳送至電路控制器重新轉變?yōu)閿?shù)字信號驅(qū)動電源點亮光芯片實現(xiàn)圖像顯示與保存。
由上可知，影響相機成像質(zhì)量的因素主要有感光元件、電路控制器和光學鏡頭。
1、感光元件
常見的相機感光元件有PMT、CCD和CMOS，PMT即光電倍增管，CCD即charge coupled device，電荷耦合元件，CMOS即complementary Metal Oxiade Semiconductor，互補金屬氧化物半導體。CCD相機是一種能夠?qū)⒐庥靶盘栟D化為數(shù)字信號的圖像傳感器。COMS相機是一種電壓控制的放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。CCD傳感器是一種電荷傳輸裝置，通過逐行讀取像素點的光信號，并將信號轉化為電荷信號存儲在暫存器中，最后再將電荷轉換為數(shù)字信號輸出。CCD傳感器的優(yōu)點是低噪聲、高靈敏度、高動態(tài)范圍，適用于對圖像質(zhì)量要求較高的場合。
CMOS傳感器采用的是并行讀取像素點的光信號，并將信號轉化為數(shù)字信號輸出。CMOS傳感器的優(yōu)點是低功耗、成本低、集成度高，適用于對成本和功耗有限制的場合。CCD在性能方面仍然要優(yōu)于CMOS。但隨著CMOS圖像傳感器技術的不斷進步，在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優(yōu)勢基礎上，噪聲與敏感度方面有了很大的提升，與CDD之間的距離在不斷縮小。
2、控制電路
控制電路是用于光電轉換后處理數(shù)字信號工具，可以通過對電路編碼實現(xiàn)目標位置像素點亮和熄滅，將光數(shù)字信號轉換為模擬信號呈現(xiàn)出光學圖像，需要在電路中編碼協(xié)議控制相機硬件，完成相機快門、散熱、接口等固件的指令下發(fā)，維持相機正常工作。其中CCD相機重要通過面陣指令實現(xiàn)面曝光，CMOS相機通過逐行曝光采集信號，因此在快速動態(tài)成像模式下，CMOS相機相比CCD相機的成像質(zhì)量略差。
3、光學鏡頭
光學鏡頭是相機成像的關鍵組成部分，鏡頭的不同參數(shù)直接決定相機成像質(zhì)量。通過改變鏡頭F數(shù)可以控制光圈大小，影響拍攝明暗。
二、量化相機測常見參數(shù)
如何評價光學相機的好壞，或如何挑選一款滿足自己需求的相機？除了尺寸、制冷方式等常規(guī)因素外，EMVA（EMVA，European machine vision Association，歐洲機器視覺協(xié)會））推出的1288行業(yè)標準也提供了部分參數(shù)介紹作為參考，該標準明確表述了機器視覺性能評估要求，可用于評估數(shù)字相機和視覺系統(tǒng)的性能通用參數(shù)，包括靈敏度、分辨率、幀率、量子效率、暗電流、飽和容量、動態(tài)范圍、信噪比、位深、空間噪聲、時間噪聲、驅(qū)動電壓、魯棒性、最大增益、曝光時間、接口等。
1、信噪比與靈敏度
相機信噪比定義為相機探測信號時瞬時信號中有效信號與無效噪聲的比值，用于表征相機的相機的靈敏度通常用于表征相機的最小光信號探測能力，由芯片檢測材料、像元大小和相機噪聲共同決定，其中相機噪聲包含了暗電流噪聲和散粒噪聲。
\( 信噪比=\frac{信號}{噪聲}=\frac{光子數(shù)×量子效率}{\sqrt{}{散粒噪聲^2}+{讀出噪聲^2}+{其他噪聲^2}} \)
2、位深
相機的位深用于表征圖像的層析豐富度，也稱為灰度值，單位為bit，定義了灰度從暗到亮的灰階數(shù)，如8bit相機的相機從暗到亮分為28個通道，高頻信息通常需要更多的位數(shù)存儲，因此灰度值越大，可以表現(xiàn)出圖像的細節(jié)越連續(xù)，層次越豐富。
3、分辨率
相機分辨率主要用于表征探測器對于物體微小細節(jié)的探測能力，通過芯片像素大小和數(shù)量進行量化，對于一個面陣相機，其水平方向和垂直方向像素數(shù)相乘即為相機的分辨率。例如，相機的分辨率是1280像素(水平方向) ×1024像素(垂直方向)，表示每行的像元數(shù)量是1280，有1024行像元，此相機的分辨率約130萬像素。對相同視場成像時，分辨率越高的相機對細節(jié)的展現(xiàn)越明顯。
4、幀率與曝光時間
幀率用于表征相機成像速度，定義為相機每秒記錄的圖像幀數(shù)，即相機在1秒內(nèi)拍攝的連續(xù)畫面幀數(shù)。曝光時間用于表征相機像元的最小光照時間，幀率與曝光時間可以由驅(qū)動信號設置同步觸發(fā)。
5、量子效率
量子效率（QE）用于描述感光芯片光電轉換的效率，量子效率越高，則光電轉換越靈敏，探測效率越高，與半導體材料對光信號的吸收效率和波長相關。
光在到達感光芯片后會通過金屬層和材料層，金屬層用于控制電信號，材料層用于感知光信息，光在材料層的穿透性與波長息息相關，對于可見光相機，通常采用InAns作為感光材料，500-600 nm的可見光剛好可以穿透材料產(chǎn)生豐富光電子，檢測效率最高，當波長短于500 nm時，光子在到達檢測區(qū)前被金屬層吸收，波長大于700 nm時，光子穿過檢測區(qū)域無法生成光電子，因此相機展現(xiàn)出的量子效率曲線中出現(xiàn)峰值和谷值。因此光的照射方式可能引起量子效率損失。
當正面入射時，光信號穿過金屬層效率低，產(chǎn)生光電子效率低，量子效率損失嚴重。為了解決這一問題，更多入射方式被提出，如背照式芯片技術和微陣列技術，量子效率最高可達95%，且解決了材料對特定波長的光吸收問題，探測波長范圍可覆蓋紫外至紅外波段。背照式芯片技術大大提高了相機靈敏度，也有效地展寬了半導體芯片的信號檢測范圍(紫外和近紅外)， 相對于前照式芯片，在使用顯微成像光學系統(tǒng)時，其對靈敏度的提升遠超芯片標稱的效率值。
晶萃光學JCOPTIX提供多種用于光探測分析的儀器設備，如萬兆網(wǎng)相機、GigE相機、USB3.0相機、近紅外相機等，GigE相機有170萬-2600萬像素可選、幀率可實現(xiàn)38-662FPS可調(diào)，相機出廠自帶C/C++，LabVIEW驅(qū)動，便于功能拓展。近紅外相機采用RJ45千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，有30-130萬像素可選，支持Windows、Linux和ARM Linux系統(tǒng)，適用與熒光成像、激光光斑跟蹤成像、半導體檢測、太陽能電池檢測、高光譜成像等。
晶萃光學JCOPTIX致力于打造中國光學人自己的產(chǎn)品平臺，提供液晶光子學元件、精密光學元件、光機械件、光纖組件、運動控制器件等產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。晶萃光學商城www.jiaqizhubao.com可查詢所有上架產(chǎn)品，支持在線下單。晶萃光學JCOPTIX將一直秉承“誠樸，奮進，創(chuàng)新，共贏”的價值觀，盡心服務客戶，傾心成就客戶，為推進中國光學界的發(fā)展貢獻力量。
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