相机的成像原理及主要参数

相机的成像原理及主要参数

相机作为现代科技的重要组成部分，其成像原理和关键参数一直是摄影爱好者和技术人员关注的焦点。本文将深入探讨相机芯片的类型、成像过程以及多个关键参数，帮助读者全面了解相机技术的核心要素。

我们常见的相机芯片主要由硅材料组成，主要分为CCD和CMOS两大类。他们主要是读出方式的不同。相机成像原理如下，从光子到数字化图片的过程——主要分为四个步骤：光子到电子的转化、电子到电压的转换，模数转换，后期处理。

CCD与CMOS主要区别在于电子到电压的转换过程中，CCD是像素统一读出，CMOS是每个像素单独读出。这一区别也决定了CCD和CMOS相机各有优劣。在过去，由于CCD的像素一致性好，占据大部分高端市场;近年来，CMOS芯片技术已取得巨大进步，在很多方面已超越CCD，从2010年开始sCMOS相机开始大规模商业化，凭借高速度(帧速率)、高分辨率(像素数)、低功耗以及最新改良的噪声指数、量子效率及色彩观念等各方面优势，CMOS芯片逐渐在CCD芯片主导的领域里占据了一席之地。

相机主要参数

• 分辨率
  相机的像素数目，也就是空间分辨力，分辨率越高，分辨样品中的微小结构能力就越强。

• 帧数
  对应的相机的时间分辨能力，相机每秒可以采集多少张照片，帧数越高获得样本信息越全。

• 灵敏度
  对应强度分辨能力，也就是信噪比。

以上三个参数属于鱼和熊掌不能兼得，相互制约得关系。

• 噪声
  前面我们提到了灵敏度，也就是信噪比。通俗来讲信噪比等于信号强度比上噪声的比值，比值越大灵敏度越高，信噪比越好。

以上是信噪比的计算公式，其中主要包括三大类噪声，散粒噪声，暗噪声，读出噪声。

1)散粒噪声：散粒噪声是信号本身的噪声，属于统计学上的噪声，和真实信号的强度相关，如果是弱光探测，散粒噪声可以忽略不计。

2)暗噪声：暗噪声是暗电流产生的散粒噪声，主要由于像素感光材料热电子运动产生。长时间曝光(积分)时，芯片温度会增高，暗电流会越大，相应的暗噪声会增大，这个时候暗噪声对图像质量的影响比较大，一般采用风冷和水冷方式进行制冷来降低暗噪声。对于同一芯片，近似的规律是温度每下降10度，暗电流减小一半。

3)读出噪声：读出噪声的来源是电子转换成电压的过程产生的，与帧数密切关，读出速度越快读出噪声越高。值得注意的是如果曝光时间在1s以上，主要噪声来源于是暗噪声和信号的散粒噪声。如果是1s以下的曝光时间，主要噪声来源于读出噪声。

• 满阱容量
  每个像素可以容纳的电子数。由传感器决定，在强光条件下，高满阱可防止图像过曝。

• 位深
  位深实际是灰度值表示，位深越大，图片越精细。

• 动态范围
  表示相机对强光和弱光同时分辨的能力，动态范围越大，就可以探测更宽的光强范围，图像细节更丰富。动态范围是满阱与噪声的比值 DR=满阱容量(S)/噪声(N)，也可以用分贝表示：DR=20×log(满阱容量(S)/噪声(N))

• 像素合并(Binning)
  Binning通过牺牲分辨率来提升信噪比。CCD的binning是像素读出的过程中，电荷转移时候实现的物理上的合并，合并后读出噪声与原来相同，因此信噪比成倍增加，参与Binning的像素数与信噪比成线性关系。Binning也能提高CCD相机的帧数。CMOS的binning是在A/D转换后，也就是说CMOS在binning时并没有物理上电荷合并，而且像素进行量化后，数字信号的合并。但是每个像素读出噪声也会被合并，CMOS的binning也会提升信噪比，但是不同于CCD，CMOS提升的是N0.5倍数，而且Binning提高不了帧数。

• 像素一致性
  像素一致性是指每个像素点的成像差异，用PRNU(光响应不均匀性)和DSNU(暗噪声不均匀性)表示

• 快门方式
  相机主要是两种快门方式：Rolling shutter(卷帘门快门)和Global shutter(全局快门)