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什么是數字攝像頭（CCD）顯微成像系統 提供

北京北方安道科技——顯微鏡專業供應商
：王瓊
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數字攝像頭（CCD）相關知識CCD
CCD（ChargeCoupledDevice），即“電荷耦合器件”，以百萬像素為單位。數碼相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運用于掃描儀、復印機以及無膠片相機等設備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數據，也沒有能力*保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數據都會不停留地送入一個“模-數”轉換器，一個信號處理器以及一個存儲設備（比如內存芯片或內存卡）。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，zui大的有2×2平方英寸。
CMOS
CMOS（Complementary MetalOxideSemiconductor），即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導所需的大量資料。CMOS傳感器便于大規模生產，且速度快，成本較低，是數碼相機關鍵器件的發展方向之一。
白平衡 （White Balance）
在不同光源下，因色溫不同，拍攝出來的相片會偏色。如色溫低時光線中的紅，黃色光含量較多，所拍的照片色調會偏紅，黃色調，色文高時光線中的藍、綠色較多，照片會偏藍、綠色調。此時便需要利用白平衡功能來作修正，其原理是控制光線中紅，綠及藍三元色的明亮度，使影像中zui大光位達到純白，便能令其它色彩準確。
插值 （Interpolation）
在不生成像素的情況下增加圖像像素大小的一種方法，在周圍像素色彩的基礎上用數學公式計算丟失像素的色彩。有些相機使用插值，人為地增加圖像的分辨系。
Bit（位）
這是計算機圖像中的術語，用來描述生成的圖像所能包含的顏色數。“深度是8位”意味著圖像只含有256種顏色。現在的數碼相機，每一種顏色的顏色深度都是8位。由于每一個像素的顏色都是是由紅色、綠色和藍色三種顏色混合而成的，所以圖像包含的顏色可達256×256×256共計1.67億種，也就是所謂的24位色。
TWAIN
這是數字照相技術中非常常見的一個詞。TWAIN是指一種特殊的軟件，有了它，其他與TWAIN兼容的軟件就可以共享圖像資源了。比如說，PaintShopPro，這是一個很好的圖像處理方面的共享軟件，它就可以和TWAIN設備協同工作。所以你可以在PaintShopPro中直接使用數碼相機中的圖像。TWAIN設備包括掃描儀，傳真機，當然，還有數碼相機。
區分CCD與CMOS
1970年是影像處理行業具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發明了CCD。二十年后，人們利用這一技術制造了數字相機，將影像處理行業推進到一個全新領域。數字相機無需膠卷和沖洗、可重復拍攝和即時調整；影像可無限次復制且不會降低質量，方便*保存，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業帶來了一場革命。
而后，有人發現，將計算機系統里的一種芯片進行加工也可以作為數字相機中的感光傳感器，即CMOS，其便于大規模生產和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。業內人士分析，它在不久的將來可能取代CCD，如今兩者依然共存。許多人認為：
“感光傳感器，尤其是CCD，是攝像頭zuizui核心的部件，是數字相機的心臟。”
而事實并非如此：感光傳感器，尤其是CCD，在攝像頭中的功能是將透過鏡頭的光線捕獲并轉換為電子信號，與其說是數字相機的心臟，不如說是數字相機的眼睛。在研究級攝像頭中，CCD或CMOS感光傳感器雖然是十分重要的元部件，在很大程度上決定了攝像頭的像素，但CCD/CMOS芯片在攝像頭的成本中并不占主導位置，尤其是在越的領域這一特性表現越為突出。
從技術的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：
信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。
速度
CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。
電源及耗電量
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。
成像質量
CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
此外，CCD與CMOS兩種傳感器在“內部結構”和“外部結構”上都是不同的：
內部結構（傳感器本身的結構）
CCD的成像點為X－Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區組成。光電二極管將光線（光量子）轉換為電荷（電子），聚集的電子數量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行數據被移動到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續讀出，再通過電荷/電壓轉換器和放大器傳感。這種構造產生的圖像具有低噪音、高性能的特點。但是生產CCD需采用時鐘信號、偏壓技術，因此整個構造復雜，增大了耗電量，也增加了成本。
CMOS傳感器周圍的電子器件，如數字邏輯電路、時鐘驅動器以及模/數轉換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構造如同一個存儲器，每個成像點包含一個光電二極管、一個電荷/電壓轉換單元、一個重新設置和選擇晶體管，以及一個放大器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器（計時應用和讀取信號）以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過簡單的X－Y尋址技術讀取信號。
外部結構（傳感器在產品上的應用結構）
CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CMOS光電傳感器的加工采用半導體廠家生產集成電路的流程，可以將數字相機的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換器、圖像信號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優點。只需要一個芯片就可以實現很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉換系統的整體成本很低。
什么是數字攝像頭
所有CCD芯片都屬于模擬元件，但當圖像數據進入計算機時卻是數字信號。如果數據是在攝像頭、采集卡兩部分完成數字化的，這個攝像頭就是模擬攝像頭。而數字攝像頭則是在攝像頭內部完成數字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數字攝像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動態范圍、zui大化圖像灰度范圍。科學研究級的絕大多數的CCD/CMOS芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造的。
CCD與COMS的分類
CCD與CMOS按成像過程可以分為2大類：動態（fastscan）和靜態（slowscan）；按應用場合不同可以分為專業級和民用級。常見的視頻聊天攝像頭（如羅技）與各種數字相機使用的分別是民用級動態和靜態CCD/CMOS。
CCD的成像原理
CCD成像的過程是這樣的：CCD表面被覆的硅半導體光敏元件捕獲光子后產生光生電子，這些電子先被積蓄在CCD下方的絕緣層中，然后由控制電路以串行的方式導出到模數電路中，再經過DSP等成像電路形成圖像。fastscan和slow scanzui大的區別就在于光生電子導出的速度和電路系統上不同。fastscan導出電子的頻率非常快，以便能達到視頻級的刷新率，但這將導致電子丟失、噪聲增多、光生電子清空不*；而slowscan則相反，它的電路設計重在對光生電子積蓄的保護上，導出的頻率不高，但保證傳出過程中電子丟失和損耗降到極小，它的模數轉換器動態范圍和靈敏度*，保證了信號轉換過程不失真，同時為了減低熱效應產生的噪聲，一般使用Cooling系統降溫。
看了上面的解釋我們可以知道專業級的科研用攝像頭為什么那么貴了，從CCD感光層的材料和面積開始、到光生電子的積蓄、到電子的導出電路、傳輸電路、模數轉換電路、圖像顯示電路、Cooling電路，每一步專業級科研攝像頭的工藝都和民用級的不同，成本都在幾十倍到幾百倍以上。目的只有一個，專業級攝像頭能盡可能完整的采集到所有的光信號。一般來說，民用級攝像頭或數碼相機只能反映50%以下的光信號。
評價CCD的基本指標
主要包括像素值、信噪比、冷卻溫度等
信噪比（SNR）
信噪比真實體現攝像頭的檢測能力。所有的CCD攝像頭的廠家為提高攝像頭的性能，都盡力使信號（可達到滿井電子的數目）zui大同時盡可能減少噪音。
SNR=滿井電子/噪音電子=動態范圍=zui大灰階=2bit數
在相同滿井電子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的監測能力，熱或者暗電流對于CCD都是噪音，噪音在CoolCCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過5-10秒，CCD芯片就會發熱，沒有致冷設備的芯片，“熱”或者白的像素點就會遮蓋圖像，圖像到處可見雪花。-20°C的攝像頭可以拍攝高達5分鐘的圖像，-40°C的攝像頭拍攝時間可以超過1小時。
CCD結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。通過改善結構、優化方法，同樣能減少噪音的產生。
像素面積
這個指標是在芯片的一個重要指標。像素面積越大、對光越靈敏。因為像素點面積有更多電子，能產生更多信號。大像素點增加靈敏度、小的像素點增加分辨率。要提高影像質量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小了像素中的光電二極管。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動態范圍越窄，因此這種方法不能無限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會引起圖像質量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時想維持現有的圖像質量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎上增大CCD的總面積。而目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來，這一矛盾對于CCD而言是難以克服的。
攝像頭與數碼相機
如前文所述，專業攝像頭與數碼相機在工藝、成本、技術含量、成像質量上差異明顯，不是一個級別的產品。具體到實際應用中，數碼相機存在以下主要問題：
數碼相機有自動曝光功能，在不同光源的情況下拍出來的圖像都不一樣，很難定性，如要測量圖像的面積、光密度等，非要專業攝像頭莫屬。
數碼相機無法實現實時預覽功能。
在特殊照明條件下，如熒光，暗場條件下難以保證成像質量。
在凝膠成像等儀器上如果用數碼相機的話會導致電子丟失、損耗等，使得不能*捕捉到信號，對結果的分析不是很準確！