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相機(jī)規(guī)格參數(shù)簡介
2025-03-11
光學(xué)相機(jī)是利用光學(xué)成像原理形成影像并使用底片記錄影像的設(shè)備，探測質(zhì)量通常與多個因素有關(guān)。
一、相機(jī)結(jié)構(gòu)
一部完整的相機(jī)有多個結(jié)構(gòu)組成，包括電源連接器、電路控制器、感光元件、光學(xué)鏡頭三大部分。其中鏡頭用于控制相機(jī)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(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換器件，光信號通過感光芯片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號驅(qū)動電源點(diǎn)亮光芯片實現(xiàn)圖像顯示與保存。
由上可知，影響相機(jī)成像質(zhì)量的因素主要有感光元件、電路控制器和光學(xué)鏡頭。
1、感光元件
常見的相機(jī)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。CCD相機(jī)是一種能夠?qū)⒐庥靶盘栟D(zhuǎn)化為數(shù)字信號的圖像傳感器。COMS相機(jī)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(diǎn)的光信號，并將信號轉(zhuǎn)化為電荷信號存儲在暫存器中，最后再將電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)的光信號，并將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。CMOS傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(shù)的不斷進(jìn)步，在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優(yōu)勢基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(biāo)位置像素點(diǎn)亮和熄滅，將光數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號呈現(xiàn)出光學(xué)圖像，需要在電路中編碼協(xié)議控制相機(jī)硬件，完成相機(jī)快門、散熱、接口等固件的指令下發(fā)，維持相機(jī)正常工作。其中CCD相機(jī)重要通過面陣指令實現(xiàn)面曝光，CMOS相機(jī)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(jī)相比CCD相機(jī)的成像質(zhì)量略差。
3、光學(xué)鏡頭
光學(xué)鏡頭是相機(jī)成像的關(guān)鍵組成部分，鏡頭的不同參數(shù)直接決定相機(jī)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(jī)測常見參數(shù)
如何評價光學(xué)相機(jī)的好壞，或如何挑選一款滿足自己需求的相機(jī)？除了尺寸、制冷方式等常規(guī)因素外，EMVA（EMVA，European machine vision Association，歐洲機(jī)器視覺協(xié)會））推出的1288行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也提供了部分參數(shù)介紹作為參考，該標(biāo)準(zhǔn)明確表述了機(jī)器視覺性能評估要求，可用于評估數(shù)字相機(jī)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(jī)信噪比定義為相機(jī)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(jī)的相機(jī)的靈敏度通常用于表征相機(jī)的最小光信號探測能力，由芯片檢測材料、像元大小和相機(jī)噪聲共同決定，其中相機(jī)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(jī)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(jī)的相機(jī)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(xì)節(jié)越連續(xù)，層次越豐富。
3、分辨率
相機(jī)分辨率主要用于表征探測器對于物體微小細(xì)節(jié)的探測能力，通過芯片像素大小和數(shù)量進(jìn)行量化，對于一個面陣相機(jī)，其水平方向和垂直方向像素數(shù)相乘即為相機(jī)的分辨率。例如，相機(jī)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(jī)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(jī)對細(xì)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(jī)成像速度，定義為相機(jī)每秒記錄的圖像幀數(shù)，即相機(jī)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(jī)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(shè)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(zhuǎn)換的效率，量子效率越高，則光電轉(zhuǎn)換越靈敏，探測效率越高，與半導(dǎo)體材料對光信號的吸收效率和波長相關(guān)。
光在到達(dá)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(guān)，對于可見光相機(jī)，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(dāng)波長短于500 nm時，光子在到達(dá)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(jī)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(dāng)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(yán)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(shù)和微陣列技術(shù)，量子效率最高可達(dá)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(shù)大大提高了相機(jī)靈敏度，也有效地展寬了半導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)時，其對靈敏度的提升遠(yuǎn)超芯片標(biāo)稱的效率值。
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供多種用于光探測分析的儀器設(shè)備，如萬兆網(wǎng)相機(jī)、GigE相機(jī)、USB3.0相機(jī)、近紅外相機(jī)等，GigE相機(jī)有170萬-2600萬像素可選、幀率可實現(xiàn)38-662FPS可調(diào)，相機(jī)出廠自帶C/C++，LabVIEW驅(qū)動，便于功能拓展。近紅外相機(jī)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(dǎo)體檢測、太陽能電池檢測、高光譜成像等。
晶萃光學(xué)JCOPTIX致力于打造中國光學(xué)人自己的產(chǎn)品平臺，提供液晶光子學(xué)元件、精密光學(xué)元件、光機(jī)械件、光纖組件、運(yùn)動控制器件等產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。晶萃光學(xué)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(xué)JCOPTIX將一直秉承“誠樸，奮進(jìn)，創(chuàng)新，共贏”的價值觀，盡心服務(wù)客戶，傾心成就客戶，為推進(jìn)中國光學(xué)界的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
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