摄像机,光电转换原理,CCD感光器件

Abstract:光电转换是摄像机的成像原理,摄像机有镜头、成像件(CCD 或 CMOS)、采样编码这3个主要部分。其中CCD和CMOS都是将光信号转换成电信号的感光器件。本文简要解释了光电转换原理、CCD原理、彩色成像原理。

//完成于摄像与编辑技术课 雾 ~

摄像机

光—>电传感器

摄录一体机

基本构造:镜头,光电转换系统,录像系统,附件(话筒,录像器)

光电系统转换原理

摄像的技术本质:光电转换

  • 光电转换:实质是通过光照的强弱,最终影响电信号的大小
  • 以电视机为例:把组成图像的各个像素亮度按一定顺序一个个转换成相应电信号,并依次传送出去;在接收端的荧光屏上再按同样的顺序,将各个电信号在对应的位置上转变成具有相应亮度的像素。
  • 扫描:将组成一幅图像的像素,按顺序转换成电信号以及将电信号依次转换成图像的过程。
  • 传送特点:一条信道,顺序传送
1
2
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graph LR 
A[像素亮度]-->|按顺序转换|B[电信号]
B-->|按同样顺序转换|A

CCD(Charge-coupled Device/感光耦合组件)及其原理

WHAT:一种集成电路,上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将视频转变成数字信号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

Application:广泛应用在数字摄影、天文学,尤其是光学遥测技术(photometry)、光学与频谱望远镜,和高速摄影技术如幸运成像。

原理:在一个用于感光的CCD中,有一个光敏区域(硅的外延层),和一个由移位寄存器制成的传感区域(狭义上的CCD)。

  • 图像通过透镜投影在一列电容上(光敏区域),导致每一个电容都积累一定的电荷,而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描相机的一维电容阵列,每次可以扫描一单层的电容;而用于摄像机和一般相机的二维电容阵列,则可以扫描投射在焦平面上的图像。一旦电容阵列曝光,一个控制回路将会使每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个电容(传感区域)。而阵列中最后一个电容里的电荷,则将传给一个电荷放大器,并被转化为电压信号。通过重复这个过程,控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。
  • 在数字电路中,会将这些信号采样、数字化,通常会存储起来;而在模拟电路中,会将它们处理成一个连续的模拟信号(例如把电荷放大器的输出信号输给一个低通滤波器)。

CCD成像与CMOS成像

摄像机有3个主要部分:镜头、成像件(CCD 或 CMOS)、采样编码。

  • CCD成像
  • CMOS(Complementary Metal-Oxide
    Semiconductor/互补性氧化金属半导体)

CCD成像与CMOS成像的共同点:

  • 原理:都是将光信号转换成电信号的感光器件
  • 表面都是由像点(photosite)组成的矩阵;像点是成像器件的基本单位,当光照到像点上时,像点就能将光转换成电信号;摄像机收集全部像点产生的信号,处理之后生成画面
  • 描述像点数量:水平数量 X 垂直数量
  • 它们的像点只能感受光的强度,不能感受光的色彩

意味着:CCD和CMOS拍到的都是黑白画面,就像黑白胶卷
那样

彩色画面的实现:

  • 多片CCD实现彩色画:3CCD:3个相同CCD分别接受红绿蓝三束光)棱镜分光的方式实现分别获取红绿蓝信息
  • 单片CCD实现彩色画:将拜尔滤镜安装在CCD上。每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光信号,但色彩分辨率不如感光分辨率。

像素、像点、显点

  • 像点:CCD的成像单位
  • 像素:画面单位;像素越小,单位面积上的像素数目越多,图像越清晰
  • 显点:显示设备的单位

帧:如25帧/s,100帧播4s

Reference

Wiki.CCD感光耦合组件

理解摄像机

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