数码相机原理简介ppt课件

数码相机 主讲人 吴厚亚 目录 一 数码相机概述二 数码相机工作原理三 性能指标四 数码相机Vs传统相机五 数码相机的缺点六 数码相机发展趋势 名词解释 数码相机英文全称 DigitalStillCamera DSC 定义 一种能够进行拍摄 并利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机 它融光学技术 传感技术 微电子技术以及计算机技术和机械技术于一体 是典型的光机电一体化新产品 世界品牌 佳能尼康富士索尼柯达松下三星卡西欧奥林巴斯back 数码相机工作原理 数码相机的结构组成 镜头CCD模 数转换微处理器 back to to 工作原理 信号变换 镜头CCD 光线 光线 模拟信号 数字信号 压缩较低信号 A D 图像处理器 存储器 back 工作原理图 back 镜头 作用 收集被照物体反射光并将其聚集于CCD上 next to 镜头 从镜头前面看去依次是 镜头保护玻璃透镜组件光学低通滤光器红外截止滤光器CCD保护玻璃CCD影像传感器back 低通滤光器 低通滤光器是光学滤光器的一种 作用是滤除空间频率的高频成分中 让低频成分通过 使图像发晕 其改变入射光束将会形成差频的目标频率 达到减弱或消除低频干扰条纹的目的 特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目的 back 红外截止滤光器 红外截止滤光器大多采用镀层或外加滤镜的形式 它的主要功能是提高成像质量 以防止CCD对红外线的敏感特性 back 图像传感器CCD 英文全称 Charge coupledDevice中文全称 电荷耦合元件定义 CCD是一种半导体器件 能够把光学影像转化为数字信号 工作原理 特性参数 应用 成像原理 back CCD成像原理 CCD上植入的微小光敏物质称作像素 Pixel 一块CCD上包含的像素数越多 其提供的画面分辨率也就越高 当光线穿过相机镜头将图形的信息投身到CCD上后 CCD将因感受光强的不同而感受出不同数量的电荷送往模 数转换器和放大器 形成与光强成正比的数据存储起来 像素 定义像素是衡量数码相机的最重要指标 像素指的是数码相机的分辩率 它是由相机里的光电传感器上的光敏元件数目所决定的 一个光敏元件就对应一个像素 相关数据三星DigimaxL50500W像素奥林巴斯u840800W像素索尼DSC HX1910W像素卡西欧EX S51000W像素尼康P600013500W像素索尼DSC W35014100W像素back CCD工作原理 CCD是一种MOS结构的新型器件 它具有光电转换 信号存储和信号传输的功能 CCD的突出特点是以电荷作为信号 而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移 因此 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生 存储 传输和检测 电荷产生 电荷存储 电荷传输 back 信号电荷的产生 在 中 电荷注入的方法有很多 归纳起来 可分为 光注入当光照射到 硅片上时 在栅极附近的半导体体内产生电子 空穴对 其多数载流子被栅极电压排开 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷 摄象器件的光敏单元为光注入方式 电注入所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压电流进行采样中 然后将信号电压或电流转换为信号电荷 back 信号电荷的存储 构成CCD的基本单元是MOS 金属 氧化物 半导体 结构如图所示 在栅极G施加正偏压UO之前 P型半导体中空穴 多数载流子 分布是均匀的 当栅极施加正偏压UG 此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth 后 空穴被排斥 产生耗尽区 如图所示 next 信号电荷的存储 偏压继续增加 耗尽区将进一步向半导体内延伸 当UG Uth时 半导体与绝缘体截面上的电势 常称为表面势 用 S表示 变得如此之高 以至于将半导体内的电子 少数载流子 吸引到表面 形成一层极薄的 约102um 但电荷浓度很高的反型层 如图 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能back 信号电荷的传输 观察CCD中4个彼此靠得很近的电极 说明势阱及电荷从一个位置移到另一个位置的过程 势阱 应用 back Step1 初始状态 光敏元件MOS结构接受光照产生信号电荷后 可通过施加栅极电压的方式 把信号电荷存储在反型层的势阱中 back Step2 电荷由 电极向 电极转移 第一个电极仍保持为10V 第二个电极上的电压由2V变到10V 形成新的势阱 因为这两个电极靠得很紧 间隔只有几微米 它们各自的对应势阱将合并在一起 back Step3 电荷在 电极下均匀分布 由于势阱的合并 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱阱所共有back Step4 电荷继续由 电极向 电极转移 将 的电压由10V变成2V 的电压保持10V不变 下的势阱逐渐消失 电荷逐渐的向 下的势阱转移 back Step5 电荷完全转移到 电极 深势阱及电荷包向右移动了一个位置完成一次信号电荷转移动作 back 信号电荷转移的基本应用 通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上 电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动 通常把CCD电极分为几组 每一组成为一相 并施加同样的时钟脉冲 CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数 如图所示的结构需要三相时钟脉冲 其波形图如图V f 所示 这样的CCD称为三相CCD 注意 注意事项 方式必须在三相交叠脉冲的作用下 才能以一定的方向逐单元地转移 另外必须强调指出 CCD电极间隙必须很小 一般应小于3um 电荷才能不受阻碍地从一个电极向另一个电极转移 CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作 back CCD特性参数 转移效率不均匀度暗电流灵敏度噪声分辨率 back 转移效率 定义 电荷包从一个栅转称到下一个栅下时 有部分的电荷转移过去 余下部分没有被转移 称为转移缺失率 back 不均匀度 不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的 越是大规模的器件 均匀性问题越是突出 这往往是成品率下降的原因 back 暗电流 定义 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号 起因 在于耗尽区产生复合中心的热激发 危害 限制器件的低频限 引起固定图像噪声 back 灵敏度 定义 是指在一定光谱范围内 单位曝光量的输出信号电压 电流 back 噪声 CCD噪声分类 散粒噪声转移噪声热噪声 back 分辨率 分辨率是摄像器件是重要的参数之一 它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力 测试时用专门的测试卡 目前国际上一般用MTF来表示分辨率 数码相机分辨率的高低 取决于相机中CCD芯片上像素的多少 像素越多 分辨率越高 back to CCD在数码相机中的应用 批量信号电荷的转移当CCD的单元电容 也叫光敏二极管 由光照激发产生电荷并且已经存储在其势阱中 这个时候 需要把这些信息电荷按次序地批量传输转移到A D转换器中去 首先要把CCDH上的一个个电容近一定的方式连接起来 如图是一种连接方式 为获取转移功能 在每组电容器的电极上分别加上V1 V2 V3时钟驱动脉冲 其波形如图所示 next CCD在数码相机中的应用 为具体起见 假定将CCD曝光 产生的电荷图像如图所示 1号电容有4个单位电荷 4号电容有2个单位电荷 其余的电容没有电荷 当初始处于t t1时刻 V1为高电平 V2 V3为低电平 1号和4号接高电平 电极下形成耗尽区 形象地称为势阱 next CCD在数码相机中的应用 t2时刻 V1 V2都是高电平 此时1号 2号及4号 5号都形成高电平 且1 2号电容和4 5号电容的势阱分别地连通到一起 电荷数量未变 电荷在势阱中均匀分布 next CCD在数码相机中的应用 t3时刻 V1 V3为低电平 V2为高电平 1号 4号电容因处于低电平 所以它们的势阱消 所以电荷保留到2号 5号电容的势阱里 完成一个转移动作 等待下一级脉冲 继续将电荷向右移动 back CCD在数码相机中的应用 为存储电荷 CCD必须有金属电极和连线 CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类 线阵CCD 结构简单 成本较低 可以同时储存一行电视信号 使用单排排列感光单元 面阵CCD 在一片小小的硅片上 用大规模集成电路技术连接制作出数十万到数百万个光敏电容 即光敏二极管 数码相机通常用的就是面阵列CCD 面阵CCD行间传输 每列之间设计成隔离状 以免列间电荷的相互影响 每又一起与一个移位寄存器相连 移位寄存器又与电压输出电路相连接 以便完成电信号的输出 移位寄存器 电压输出电路 n 21行 列 back 模数转换器 模数转换器即A D转换器 或简称ADC 通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号 由于数字信号本身不具有实际意义 仅仅表示一个相对大小 故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准 比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小 而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小 微处理器MPU 数码相机要实现测光 运算 曝光 闪光控制 拍摄逻辑控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系 这一系列功能正是通过MPU来实现统一协调和控制的 MPU主要图像传感器数据处理DSP SRAM控制器 显示控制器 JPEG编码器 USB等接口控制器 运算处理单音频接口和图像传感器时钟生成器等模块 back 性能指标 分辨率色彩深度光学镜头镜头焦距 back 色彩深度 色彩深度又叫色彩位数 它是用来表示数码相机的色彩分辨能力 数码相机的色彩位数越多 意味着可捕获的细节数量也越多 即 能正确记录的色调有越多 就越可能更真实地还原亮部及暗部的细节 back 镜头焦距 镜头焦距 是指镜头光学后主点到焦点的距离 是镜头的重要性能指标 镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小 视场角大小 景深大小和画面的透视强弱 镜头的焦距是镜头的一个非常重要的指标 镜头焦距的长短决定了被摄物在成像介质 胶片或CCD等 上成像的大小 也就是相当于物和象的比例尺 当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时 镜头焦距长的所成的象大 镜头焦距短的所成的象小 根据用途的不同 照相机镜头的焦距相差非常大 有短到几毫米 十几毫米的 也有长达几米的 back 数码相机Vs传统相机 1 感光材料的不同2 得到照片质量的不同3 数码相机独有的特色功能4 拍摄的速度不同5 镜头上的不同6 输出方式的不同 back 感光材料 摄影是一门用光来描述生活的艺术 我们平时使用的传统相机是用胶卷 也就是银盐感光材料 来感光的 拍完照片我们需要冲洗之后才能看到照片的拍摄效果 这样 就不能把拍得不好的照片及时的删掉 再有就是 拍完的照片经过暗房的加工后就不能改变它的效果了 数码相机使用的是电荷耦合器CCD元件感光 然后将信息记录在存储卡上 存储卡可反复使用 由于数码相机拍摄的照片要经过数字化处理再存储 拍摄后的照片能够回放观看效果 以便对不满意的照片立即删除重拍 拍摄后把数码相机与电脑连接 可以方便地将照片传输到电脑中并可以用图形软件进行各种处理 再通过打印机打印出来 back 照片质量 传统相机的卤化银胶片可以捕捉连续的色调和色彩 所以拍出来的照片清晰而且细腻 采集到的是模拟信号 数码相机的CCD感光材料在宽容度上就没有那么强 在弱光和超强光下不容易留住所有的细节 采集到的是数字信号 一般地 传统35毫米胶片解析度大约相当于1800万像素甚至更高CCD 目前数码相机使用的比较好的CCD所能达到的像素一般不足1000万 所以 数码相机拍摄的照片 不论在影像的清晰度 质感 层次 色彩的饱和度等方面 都和传统相机有一定的差别 back 数码相机独有的特色功能 A 可删除影像的功能B 白平衡的调节功能C LCD的取景方式D 质量模式的选择功能以及照片尺寸的差别E 后期可以再加工F 可以拍摄短时间的动态画面 back 拍摄的速度 用惯了传统相机再来使用数码相机的朋友们或许都有这样的感觉 数码相机的拍摄速度是一件比较让人头疼的事情 在按下快门即数码相机真正记录数据之前 需要等待1 5秒 这是因为数码相机要进行调整光圈 改变快门速度 检查自动聚焦 打开闪光灯等操作 数码相机每拍摄完一张照片 要等待3至7秒才能进行下一张照片的拍摄 这是因为数码相机要对已拍摄的照片进行图像压缩处理并存储起来 由于存储卡的存储速度较慢 故数码相机的拍摄速度 特别是连拍速度还无法达到专业摄影的要求 back 镜头的不同 有人曾经开玩笑地说 让一个人破产有一个不错的办法 就是给他一部相机 其实传统相机昂贵的不是机身部分 而是镜头 镜头是拍出好照片的一个重要的因素 我们通过更换不同的镜头 可以拍摄出不同的效果 数码相机的镜头一般不需要更换 而且都比较小 这是因为数码相机的感光单元CCD相对于普通的35mm胶片来说要小很多 因此比较短的镜头就可以完成较大的变焦范围 当然也有可以更换镜头的数码相机 那些专业的数码相机的CCD的大小已经接近普通35mm胶片的尺寸了 但是我们很清楚 它们价值连城 back 输出方式的不同 传统相机拍出来的照片我们到图片社冲洗就好了 数码相机目前最多的情况是传入到计算机中 然后进行打印 back 数码相机的缺点 电池 数码相机由于LCD屏幕 MPU 镜头伸缩等附加动作 消耗掉大量的电量 尤其是LCD屏幕 要耗费掉相机30 的电量 而当今现状下 普通锂电池储量并不海量 所以电池问题是当今数码相机领域里一个头痛的问题 速度 数码相机拍摄过程比较久 因为 要经历一系列信号处理过程 画质 由于数码相机是数字信号图片 所以其照片清晰很难达到高要求 寿命 数码相机的寿命一般都不会太长 一般2 3年左右 而且如若性能完好 也会被新型新产品淘汰了 back 数码相机的发展趋势 1400万有效像素成为标配防抖不再是卖点HD和彻底的HDMI3D相机存储介质的天下一家翻转液晶屏全景模式 1400万有效像素成为标配 NEX 5C的有效像素达到了1400万 对于现在的多数用户而言 像素 这个名词似乎从其跨入一千万之后 便很少有用户开始狂热追求了 除去一些专业用户 家庭用户多数只需要将照片放到6寸 7寸左右 而千万像素则足矣满足这些需求 防抖不再是卖点 我的相机具有双重防抖功能 这是若干年前 电视上反复出现的一句广告语 当时非常新鲜的词语 如今看来已经不是什么卖点了 现今 无论是小数码还是单反相机都会考虑到防抖的问题 只是或许在镜头 或许在机身 于是乎 我们也不会再因为相机具有防抖功能而惊讶 倒是会因为没有这项功能而叹一口气