数字相机基本原理解析.doc

数字相机基本原理 数字相机基本原理 数字相机简单介绍 在过去的几年里，光测量已从传统的乳液为基础的薄膜显微摄影子影像媒体的选择本中我们的是提供光探测知识了解，并择合适的检测器。互补金属氧化物半导体 Figure 1-Typical CCD Structure 对于一个CCD，通常在整个阵列中只有一个放大器，所存储的电荷通过并行寄存器被传输到线性寄存器中，然后传到与读出放大器毗邻的输出节点。CCD传感器最早在60年代末期被开发，该技术现在以趋于成熟。CCD性能已经在光探测效率和减少暗信号和放大输出端的噪声中起到了推动作用。 CCD的一个缺点就是它是一个串行读出装置，并且它是以减小读出速度为代价来实现降低噪声性能的。CMOS相机是以降低灵敏度为代价来实现高帧速率的。 Figure 2-CMOS Structure 在CMOS探测器中，单个光传感器或者更典型的一列光传感器都有一个放大器与其相连。一组列像素可由地址寄存器选中或者单个像素可由行多路选择开关选中并行读出。一CMOS器件基本上是一个行的读出装置因此可以实现成像应用更高的读取速度CMOS探测技术仍然需要大发展，目前最先进的CMOS器件广泛的照明水平储存的电荷通过行，但输出节点正在读出电荷是通过一个， Figure 3-EMCCD Structure EMCCD相机与CCD相机有着相似的结构和可以达到的最小曝光时间限制。加强CCD可以实现超短的曝光时间。 在图像增强器中有一个感光面（阴极）可以捕获入射光子生成相应的电荷，并且检测和放大。 Figure 4-ICCD Structure 阴极的性质类似于在共聚焦显微镜和分光计荧光显微镜或超快光谱。EMCCD是相对较新的技术他们期待着更长远的选择，但仍有相当大的发展需要 Figure 5-Typical full frame CCD sensor format 全帧CCD是传感器最简单的形式，入射光子照射在整个光敏传感器阵列上。要想读取传感器，必须先把积累的电荷一行一行的垂直转移到串行输出寄存器。要读出每个单独的像素要先将每一行积累的电荷水平的转移到行输出寄存器。这就是所谓的“逐行扫描”读出方式。全帧形式一个缺点就是由于在光照在传感器上时所积累的电荷也在被转移到输出寄存器而造成的电荷拖尾效应。为了避免这一现象发生，设备有时会利用一个机械快门在读出过程中遮盖住传感器。然而，机械快门存在寿命问题并且相对缓慢。在光谱探测或者使用脉冲光源的情况下是不需要使用快门的。全帧CCD相机是现有的中灵敏度最好的CCD相机，并且它可以有效的工作在不同照度条件下。 Figure 6-Typical frame transfer CCD sensor format 帧转移CCD使用的是被分为两部分的传感器，其中一半并列阵列用作存储区域，通过使用不同光膜遮挡以达到不受光照的目的。入射光子可以照射在未被遮挡的部分上，所积累的电荷将被迅速的（在几毫秒的时间里）转移到被遮挡的存储区域以方便电荷向串行输出寄存器的转移。当传感器的感光部分的信号被积分时，已存储的电荷将被读出。 与全帧设备相比帧转移设备具有较高的帧速率，而且具有高占空比的优点，即传感器经常处于收集光信号的状态。尽管它们明显优于全帧设备 Figure 7-Typical interline CCD sensor format 行间转移CCD合并了电荷转移通道，成为隔行遮挡结构（如上图7）。这些通道紧邻感光二极管，因此可以再图像采集完成后迅速的将所积累的电荷转移到通道中去。快速的图像采集几乎消除了图像拖影现象。具有电子快门的行间转移CCD相机可以通过改变感光二极管两端的电压，使产生的电荷注入到光电底层而不是转移到传输通道。隔行装置存在这样的缺点，隔行遮挡有效的减少了传感器上感光区域的面积。这可以通过使用微透镜阵列来提高感光二极管填充因子 Figure 8-CCD cross section showing depletion region 照射在CCD上的光子要首先利用电子快门摆脱区域控制，通过电子快门适当的时钟电压可以产生构成耗尽区域边缘的电场，并且可以将电荷转移出CCD。 这个快门在某种程度上可以吸收和反射所有波长的光，并且减小了光谱响应，使其低于一个光子产生一个电子的理论最大值（比如可见光）。对于较短波长的光（蓝光）被吸收的更为显著，而对于低于350nm的光，在耗尽区探测到之前就会吸收所有的光子。对于较长波长的光（即红色光子）被硅质的CCD吸收的可能性很低，并且光子可以穿过耗尽区而不会被探测到，因此降低了设备对红光的灵敏度。波长大于1.1um的光子没有足够的能量来释放自由电子，因此他们不能被硅质CCD探测到。 结合各种吸收效果决定了CCD相机的光谱灵敏度。光谱灵敏度通常表示为量子效率曲线，这里探测