我們常見的相機(jī)芯片主要由硅材料組成，主要分為CCD和CMOS兩大類。他們主要是讀出方式的不同。相機(jī)成像原理如下，從光子到數(shù)字化圖片的過程——主要分為四個(gè)步驟：光子到電子的轉(zhuǎn)化、電子到電壓的轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換，后期處理。

CCD與CMOS主要區(qū)別在于電子到電壓的轉(zhuǎn)換過程中，CCD是像素統(tǒng)一讀出，CMOS是每個(gè)像素單獨(dú)讀出。這一區(qū)別也決定了CCD和CMOS相機(jī)各有優(yōu)劣。在過去，由于CCD的像素一致性好，占據(jù)大部分高端市場(chǎng);近年來，CMOS芯片技術(shù)已取得巨大進(jìn)步，在很多方面已超越CCD，從2010年開始sCMOS相機(jī)開始大規(guī)模商業(yè)化，憑借高速度(幀速率)、高分辨率(像素?cái)?shù))、低功耗以及最新改良的噪聲指數(shù)、量子效率及色彩觀念等各方面優(yōu)勢(shì)，CMOS芯片逐漸在CCD芯片主導(dǎo)的領(lǐng)域里占據(jù)了一席之地。

相機(jī)主要參數(shù)

? 分辨率

相機(jī)的像素?cái)?shù)目，也就是空間分辨力，分辨率越高，分辨樣品中的微小結(jié)構(gòu)能力就越強(qiáng)。

? 幀數(shù)

對(duì)應(yīng)的相機(jī)的時(shí)間分辨能力，相機(jī)每秒可以采集多少?gòu)堈掌瑤瑪?shù)越高獲得樣本信息越全。

? 靈敏度

對(duì)應(yīng)強(qiáng)度分辨能力，也就是信噪比。

以上三個(gè)參數(shù)屬于魚和熊掌不能兼得，相互制約得關(guān)系。

? 噪聲

前面我們提到了靈敏度，也就是信噪比。通俗來講信噪比等于信號(hào)強(qiáng)度比上噪聲的比值，比值越大靈敏度越高，信噪比越好。

以上是信噪比的計(jì)算公式，其中主要包括三大類噪聲，散粒噪聲，暗噪聲，讀出噪聲。

1)散粒噪聲：散粒噪聲是信號(hào)本身的噪聲，屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)上的噪聲，和真實(shí)信號(hào)的強(qiáng)度相關(guān)，如果是弱光探測(cè)，散粒噪聲可以忽略不計(jì)。

2)暗噪聲：暗噪聲是暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲，主要由于像素感光材料熱電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。長(zhǎng)時(shí)間曝光(積分)時(shí)，芯片溫度會(huì)增高，暗電流會(huì)越大，相應(yīng)的暗噪聲會(huì)增大，這個(gè)時(shí)候暗噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響比較大，一般采用風(fēng)冷和水冷方式進(jìn)行制冷來降低暗噪聲。對(duì)于同一芯片，近似的規(guī)律是溫度每下降10度，暗電流減小一半。

3)讀出噪聲：讀出噪聲的來源是電子轉(zhuǎn)換成電壓的過程產(chǎn)生的，與幀數(shù)密切關(guān)，讀出速度越快讀出噪聲越高。值得注意的是如果曝光時(shí)間在1s以上，主要噪聲來源于是暗噪聲和信號(hào)的散粒噪聲。如果是1s以下的曝光時(shí)間，主要噪聲來源于讀出噪聲。

? 滿阱容量

每個(gè)像素可以容納的電子數(shù)。由傳感器決定，在強(qiáng)光條件下，高滿阱可防止圖像過曝。

? 位深

位深實(shí)際是灰度值表示，位深越大，圖片越精細(xì)。

? 動(dòng)態(tài)范圍

表示相機(jī)對(duì)強(qiáng)光和弱光同時(shí)分辨的能力，動(dòng)態(tài)范圍越大，就可以探測(cè)更寬的光強(qiáng)范圍，圖像細(xì)節(jié)更豐富。動(dòng)態(tài)范圍是滿阱與噪聲的比值 DR=滿阱容量(S)/噪聲(N)，也可以用分貝表示：DR=20×log(滿阱容量(S)/噪聲(N))

? 像素合并(Binning)

Binning通過犧牲分辨率來提升信噪比。CCD的binning是像素讀出的過程中，電荷轉(zhuǎn)移時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的物理上的合并，合并后讀出噪聲與原來相同，因此信噪比成倍增加，參與Binning的像素?cái)?shù)與信噪比成線性關(guān)系。Binning也能提高CCD相機(jī)的幀數(shù)。CMOS的binning是在A/D轉(zhuǎn)換后，也就是說CMOS在binning時(shí)并沒有物理上電荷合并，而且像素進(jìn)行量化后，數(shù)字信號(hào)的合并。但是每個(gè)像素讀出噪聲也會(huì)被合并，CMOS的binning也會(huì)提升信噪比，但是不同于CCD，CMOS提升的是N0.5倍數(shù)，而且Binning提高不了幀數(shù)。

? 像素一致性

像素一致性是指每個(gè)像素點(diǎn)的成像差異，用PRNU(光響應(yīng)不均勻性)和DSNU(暗噪聲不均勻性)表示

? 快門方式

相機(jī)主要是兩種快門方式：Rolling shutter(卷簾門快門)和Global shutter(全局快門)

審核編輯 黃宇