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万东医疗CCD数字X线探测器投产

    万东医疗CCD数字X线探测器生产线日前正式启动。据介绍,第一批5台探测器已经下线,这标志着万东的XDS3000型数字X线探测器正式投入量产。这一产品是万东公司专门为县乡级医院、社区医院和体检中心等用户量身定制的一款中档CCD探测器。       探测器生产线占地200平方米,包括超净组装间、电气调试间、光学调试间和整机调试间等部分,均按照国际标准设计施工。生产线投产后将达到年产200台的生产能力,探测器的所有部件和整机的均由万东医疗自主生产。
日期:2009年5月15日 - 来自[企业观察]栏目
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鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素对CCD大鼠脊髓突触重塑的影响*

【摘要】  目的 研究鞘内注射(i.t.)氟代柠檬酸(FC)和米诺四环素(MC)对背根节慢性压迫模型(CCD)大鼠脊髓背角突触重塑的影响。方法 采用大鼠CCD模型,48只鞘内置管SD大鼠随机分为六组:sham组(假手术组),CCD组,PBS(溶剂磷酸盐缓冲生理盐水)组(0.01 mmol/L PBS 20 μl,i.t.),FC组(1 μmol/L FC 20 μl,i.t.),MC组(5 g/L MC 20 μl,i.t.),FC+MC组(1 μmol/L FC和5 g/L MC混合液 20 μl,i.t.)。术后每天给药1次,第14天处死,采用免疫组织化学方法和电镜技术观察大鼠脊髓背角突触数目和突触后致密物厚度的变化。结果 鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素第14天,大鼠脊髓背角P38阳性表达FC+MC组明显抑制(P<0.01),sham组次之(P<0.05),余下四组差异无显著性;电子显微镜观察结果显示CCD组、PBS组、FC组、MC组脊髓背角突触结构明显增厚,sham组有增厚不明显(P<0.05),FC+MC组增厚不明显(P<0.01)。结论 鞘内给药后,在本实验剂量下,小胶质细胞抑制剂米诺四环素比星形胶质细胞抑制剂氟代柠檬酸更好地抑制了大鼠的慢性疼痛。鞘内同时注射氟代柠檬酸和米诺四环素可抑制大鼠脊髓背角突触结构的增厚。

【关键词】  脊 鞘内注射 胶质细胞抑制剂 米诺四环素 氟代柠檬酸 背根节慢性压迫 突触 大鼠

   Effects on intrathecal administration of fluorocitrate or minocycline on synapsis remodeling of spinal cord in CCD rats

    ZHANG Xian-hong,SHEN Wen,WANG Ming-de,et al.Department of Anesthesiology,Hunan Tumor Hospital,Changsha 410006,China

    [Abstract]  Objective  To study the effects of intrathecal injecting(i.t.) two specieses glia cell metabolic inhibitor fluorocitrate(FC) and minocycline(MC) and phosphate buffered saline(PBS) on synapsis remodeling of spinal cord in chronic compression of dorsal root ganglia (CCD) rats.Methods  48 SD rats with intrathecal catheter insertion and checkouted by lidocaine experiment randomly was divided into six groups (n=8) which included sham group,CCD group (received chronic compression of right dorsal root ganglion),PBS group (0.01 mmol/L PBS 20 μl,i.t.),FC group(1 μmol/L fluorocitrate 20 μl,i.t.),MC group(5g/L minocycline 20 μl,i.t.),FC + MC group(the mixture of 1μmol/L fluorocitrate and 5g/L minocycline 20 μl,i.t.).Sacrifice on the 14th day of CCD was done,expression of the P38 was detected in the spinal dorsal horn on the 14th postoperative day rats by immunohistochemistry techniques,at the same time,the synaptic structure remodeling of those rats using electromicroscope methods were observed.Results  The expression of P38 showed that FC+MC group  obviously suppressed(P<0.01),sham group was secondary(P<0.05) and the rest was no visibly difference in the spinal dorsal horn(P>0.05).The trend was that the synaptic structure was thickening in the spinal dorsal horn under the electromicroscope coincident with the expression of P38.Conclusion  After intrathecal administration,minocycline of microglia inhibitor can attenuate better the chronic pain of CCD rats rather than fluorocitrate of astrocyte's.Intrathecal injection of fluorocitrate with minocycline can prevent the synaptic structure thickening in the spinal dorsal horn in CCD rats.

    [Key words]  spinal cord;intrathecal injection;metabolic inhibitor of neuroglia;minocycline;fluorocitrate;chronic compression of dorsal root ganglion;synapsis remodeling;rats

    传统的观点认为神经胶质细胞仅是对神经元起支持和营养作用,而不具有细胞间的信号传递功能。然而随着研究的深入,越来越多的证据证明,脊髓胶质细胞(主要是星形胶质细胞和小胶质细胞)的激活参与神经元结构和功能的重塑,形成有完整功能的突触[1~3],介导痛觉过敏的产生和痛觉的持续状态[3,4]。本研究在大鼠背根神经节压迫模型(chronic compression of dorsal root ganglion,CCD)上,通过鞘内注射(intrathecal injecting,i.t.)星形胶质细胞代谢抑制剂氟代柠檬酸(fluorocitrate,FC)、小胶质细胞代谢抑制剂米诺四环素(minocycline,MC),观察大鼠行为学和突触后致密物的厚度改变,了解胶质细胞代谢抑制剂对CCD大鼠脊髓突触重塑的影响。

    1  材料和方法

    1.1  药品和仪器  米诺四环素 (Sigma公司,美国),氟代柠檬酸(Sigma公司,美国),PE-10导管(上海),微量进样器(上海),Von Frey 纤维丝(Stolting公司,美国),热痛刺激仪BME-410A(中国医学科学院生物工程研究所),电镜照相系统T-600型(日本国株式会社日立制作所)。

    1.2  动物与分组  雄性SD大鼠 48只(徐州医学院实验动物中心提供),体重200~250 g,腹腔注射戊巴比妥40 mg/kg 后,按Yaksh法[5]鞘内置管,置管后无运动障碍且经利多卡因试验证实导管在鞘内,随机分为sham组(假手术组)、 CCD(背根神经节压迫模型)组、PBS(溶剂磷酸盐缓冲生理盐水)组(0.01 mmol/L PBS 20 μl,i.t.)、 FC组(1 μmol/L FC 20 μl,i.t.)、MC组(5 g/L MC 20 μl,i.t.)、FC+MC组(1 μmol/L FC和5 g/L MC混合液20 μl,i.t.),每组8只。保持动物在室温20 ℃±2 ℃,昼夜节律,自然饮水、进食,每天上午9点鞘内注射。鞘内给药于手术当天进行,各组于CCD术后第14天处死,取腰骶段脊髓膨大处CCD侧背角1 mm×1 mm×1 mm,立即置于2.5%的戊二醛中,4 ℃冰箱保存备用。

    1.3  病理性神经痛模型的建立   鞘内置管第5天,参照胡三觉等[6]方法,在戊巴比妥40 mg/kg腹腔注射麻醉SD大鼠后,沿L4~L6 脊椎右侧切皮,分离脊椎右侧肌肉,暴露L4、L5横突和椎间孔,用弯成直角的长3.5 mm,直径0.7 mm的钢丝,以与背部正中线成30°以及与脊椎侧面水平线成10°向头背端插入L4和L5椎间孔,当钢丝碰到背根节或者神经根时同侧后肢抽动,适当调整钢丝的位置,使其形成对L4和L5背根节稳定的压迫,最后分层缝合肌肉和皮肤。假手术组仅暴露L4、L5横突和椎间孔,不插入钢丝。术后每天腹腔注射40万u青霉素1次,连续3天,预防切口感染。剔除手术后肢体瘫痪的动物。

    1.4  检测方法

    1.4.1  免疫组织化学方法  大鼠在戊巴比妥钠(60 mg/kg)腹腔注射麻醉下行左心室穿刺,生理盐水200 ml快速灌注,继之以预冷的4%的多聚甲醛350 ml先快后慢灌注约30 min。取L3~L5脊髓段1 cm,置于4%多聚甲醛后固定6 h,然后移入20%的蔗糖(4 ℃)过夜。次日,取脊髓做冰冻冠状连续切片,片厚20 μm。SP法免疫组织化学染色,DAB显色:切片用PBS液冲洗后,在3%的过氧化氢处理10 min后,用5%的封闭血清在室温孵育30 min,加入稀释过的小鼠抗P38(Sigma公司,1∶200) 一抗,4 ℃孵育24 h,顺序加入SP试剂盒的生物素化二抗工作液和辣根酶标记链霉卵白素工作液,以上各步骤均用0.01 mmol/L PBS彻底漂洗切片,最后用即用型DAB显色,在显微镜下观察反应程度,再用0.01 mmol/L PBS及时终止反应,显色后的切片裱于涂有明胶的载玻片上,干燥、脱水、透明,中性树胶封片。

    1.4.2  电子显微镜技术方法  切片制备:各组大鼠行为学实验后(术后第7天和第14天),大鼠均在腹腔注射戊巴比妥钠(60 mg/kg)深麻醉下迅速开胸暴露心脏,经升主动脉插管,先以100 ml生理盐水冲净血液,随即以预冷的4%多聚甲醛,0.1 mmol/L磷酸缓冲液(PB,pH 7.4)500 ml先快后慢灌注约1 h,取腰骶段脊髓膨大处CCD侧背角1 mm×1 mm×1 mm,立即置于2.5%的戊二醛中4 ℃冰箱保存备用。电镜观察:将所取脊髓组织1 mm×1 mm×1 mm 浸于2.5%的戊二醛磷酸缓冲液(pH 7.2)固定48 h。1%的四氧化锇后固定1 h,丙酮逐级脱水,包埋(包埋剂的配制:环氧树脂 812∶815∶DDSA∶DMP-30=2.5∶2.5∶8∶0.175)。LKB-5超薄切片机切片,厚度为50 nm。醋酸铀染色,日立H-600型电子显微镜照相。

    1.5  突触摄片计数  免疫组织化学方法每只动物每个指标随机取脊髓片3张,高倍镜下以Olympus DP11数码相机在背角截取一屏计数。电镜技术在日立H-600型电子显微镜下,借助Motic Images Advanced 3.0 图像分析系统测量突触后膜致密物的厚度。

    1.6  统计学方法  所有数据均用均数±标准差(x±s)表示,组间比较采用单因素方差分析及SNK法,与基础痛阈比较采用配对t检验,用SPSS 11.5软件进行处理,P<0.05认为差异有统计学意义。

    2  结果

    2.1  鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素第14天脊髓背角P38的表达  鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素第14天脊髓背角P38染色的突触数目sham组明显比CCD组、PBS组、FC组和MC组少(P<0.01),显著多于FC+MC组 (P<0.01)。CCD组、PBS组、FC组和MC组四组间差异无显著性(P>0.05)。见图1、图3。

    2.2  鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素CCD大鼠电镜下脊髓背角突触后致密物厚度的变化  鞘内注射米诺四环素和氟代柠檬酸第14天CCD大鼠脊髓背角突触后致密物厚度,CCD组对比sham组和FC+MC组显著增厚(P<0.01),和PBS组、FC组、MC组比较无统计学差异(P>0.05)。sham组和FC+MC组突触前膜、突触后膜和突触间隙清晰,突触终末有较多清亮的圆形囊泡;CCD组、PBS组、FC组和MC组部分突触突起融合,突触前膜和突触后膜致密物增厚,密度增大,突触间隙模糊不清。见图2、图4。

    3  讨论

    长期以来,人们认为突触的形成只和神经元有关,但近来越来越多的实验表明,星形胶质细胞在突触重塑过程中发挥着重要作用。

    本实验研究应用免疫组织化学方法对鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素第14天的CCD大鼠观察了P38(突触囊泡素)标记的大鼠脊髓背角突触数目,结果显示单独鞘内注射氟代柠檬酸或者米诺四环素的FC组和MC组与CCD组及PBS组没有显著差异,同时鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素的FC+MC组突触数目显著减少;同时在电镜下对鞘内注射氟代柠檬酸和米诺四环素第14天的CCD大鼠观察发现CCD组、PBS组、FC组和MC组突触后致密物的厚度明显增厚,部分突触突起融合、密度增大、突触间隙模糊不清。sham组和FC+MC组突触后致密物增厚不明显,突触前膜、突触后膜和突触间隙清晰,突触终末有较多清亮的圆形囊泡。这一结果提示单独鞘内注射胶质细胞抑制剂没有完全抑制胶质细胞的活化和突触的传递;当同时鞘内注射星形胶质细胞和小胶质细胞抑制剂时突触传递发生障碍,突触数目也有明显减少,有可能2种胶质细胞活化被抑制导致突触重塑障碍。在星形胶质细胞或者小胶质细胞单独被抑制时,一方能否代偿另一方在突触重塑中的作用,尚待进一步的研究。

    神经元轴突终末、树突和胞体及星形胶质细胞的突起共同构成三重突触结构(tripartite synapses)[7,8]。星形胶质细胞包围着神经末梢,不仅能调节神经元的活动,而且能影响突触的传递,对正常突触的形成和维持突触的稳定有重要作用,星形胶质细胞与神经元之间存在复杂的相互作用。在病理条件下,新生的神经元虽然已具备了形成突触的基本条件,但只有在胶质细胞存在的环境下才能大量形成功能性突触,胶质细胞不仅可以增加成熟突触的数目,还能增加突触的功能。近年来,随着膜片钳及分子生物学技术的应用,人们发现星形胶质细胞表面不仅具有电压依赖的Na+、K+、Ca2+ 通道,而且分布许多神经递质、神经肽、激素和神经营养因子受体,并能合成和分泌多种神经活性物质,在维持神经元内外环境、生存、迁移、免疫调节、信号转导、轴突生长、突触重塑及功能整合等方面具有重要作用[9]。

    小胶质细胞在神经元的生理活动中起支持、营养、保护及修复等重要功能,是神经系统不可缺少的成分。激活的小胶质细胞分泌生长因子、吞噬胶质细胞碎片、抵御外来抗原[10,11];同时释放大量的兴奋性氨基酸、一氧化氮、前列腺素和促炎性细胞因子(TNFα、INFγ、IL-6、IL-1),这些物质弥散到附近的神经元突触,提高神经元的兴奋性,扩大疼痛传入的强度和范围[12]。小胶质细胞对神经系统的损伤有营养保护和神经毒性双向作用。Hynds等的研究结果认为在脊髓损伤区移植小胶质细胞及其分泌的因子可促进脊髓损伤后感觉神经纤维的再生。这些结果提示,在中枢神经系统损伤部位增加激活的小胶质细胞的数量有助于增强一些有利于生长的神经营养因子、细胞因子和细胞外基质的分泌,提供一个有益于突触重塑的生理环境。

【参考文献】
  1 Santina Bruzzone,Claudia Verderio.Glutamate-mediated overexpression of CD-38 in astrocytes cultured with neurons.Journal of Neurochemistry,2004,89:264-272.

2 Vasce S,Bezzi P,Volterra A.The active role of astrocytes in synaptic transmission.CMLS,1998,56:991-1000.

3 Zhang Q,Haydon PG.Roles for gliotransmission in the nervous system.J Neural Transm,2004,3:19.

4 Makoto Tsuda,Kazuhide Inoue,Michael W Salter.Neuropathic pain and spinal microglia: a big problem from molecules in ‘small’ glia.Trends in Neurosciences,2005,28:101-107.

5 Yaksh TL,Rudy TA.Chronic catheterization of the spinal subarachnoid space.Phusiol Behav,1976,17:1031-1036.

6 胡三觉,邢俊玲.大鼠背根节慢性压迫对行为和电生理反应的影响.中国疼痛医学杂志,1997,3(3):158-165.

7 Gao HM,Jiang J,Wilson B,et al.Microglial activation-mediated delayed and progressive degeneration of rat nigral dopaminergic neurons relevance to Parkinson's disease.Neurochem,2002,81:1285-1297.

8 Sun F,Long M.Expression of Nogo-66 receptor in primary cultured astrocytes.Neurosci,2005,21(4):273-277.

9 Areque A,Parpura V.Tripartite synapses:glia,the unacknowledged partner.Trends Neurosci,1999,22(5):208-215.

10 张敬军.星形胶质细胞的研究.中国药理学通报,2006,22(7):788-791.

11 Stephane HR Oliet,Richard Piet,Dominique A Poulain.Control of glutamate clearance and synaptic efficacy by glia coverage of neurons.Science,2001,292:923-926.

12 Beaffie EC,Stellwegen D,Morishia W,et al.Conrtol of synaptic strength by glia TNFα.Science,2002,295:2282-2285.


作者单位:410013 湖南长沙,湖南省肿瘤医院麻醉科

日期:2008年12月27日 - 来自[2008年第6卷第7期]栏目

脊髓Cav3.2型钙通道在大鼠慢性神经病理性痛形成中的作用

2008年03月12日 《中华麻醉学杂志》-2007年27卷11期 -1015-1018页 医学空间(MEDcyber.com)3月12日消息,该项研究目的是探讨Cav3.2型钙通道在大鼠慢性神经病理性痛形成中的作用。方法采用健康雄性SD大鼠,制备大鼠背根神经节慢性压迫(CCD)模型,选取鞘内置管成功的32只大鼠,随机分为4组(n=8):假手术组(S组)、CCD模型组(CCD组)、CCD+Cav3.2反义寡聚核苷酸组(CCD+Cav3.2-AS组)和CCD+Cav3.2错义寡聚核苷酸组(CCD+Cav3.2-MM组)。S组和CCD组于CCD后1~4d每天早晚鞘内注射生理盐水10μl;CCD+Cav3.2-AS组和CCD+Cav3.2-MM组于CCD后1~4d每天早晚鞘内注射Cav3.2反义寡聚核苷酸或Cav3.2错义寡聚核苷酸12.5μg(10μl)。各组于CCD前2d和CCD后1~5d测定大鼠机械刺激缩足反应阈值(MWT)和热刺激缩足潜伏期(TWL)。于CCD后5d处死大鼠,取L4,5脊髓节段采用免疫组化法测定脊髓背角神经型一氧化氮合酶(nNOS)的表达。结果与CCD前2d比较,CCD组、CCD+Cav3.2-AS组和CCD+Cav3.2.MM组CCD后1~5d MWT和TWL均降低(P〈0.05或0.01)。与S组比较,其余3组CCD后1~5d MWT、CCD后2~5d TWL降低(P〈0.01)。与CCD组比较,CCD+Cav3.2-AS组术后3~5d MWT和TWL升高(P〈0.01),CCD+Cav3.2- MM组差异无统计学意义(P〉0.05)。与S组比较,其余3组脊髓nNOS表达上调(P〈0.01);与CCD组比较,CCD+Cav3.2-AS组nNOS表达下调(P〈0.01),CD+Cav3.2-MM组差异无统计学意义(P〉0.05)。因此得出结论,Cav3.2型钙通道参与了大鼠慢性神经病理性痛的形成,其机制与抑制脊髓背角nNOS的表达上调有关。
日期:2008年3月14日 - 来自[神经科]栏目
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数码相机的心脏——CCD

                               数码相机的心脏——CCD

   决定数码相机拍摄的画面质量高低的,从根本上来说是CCD。那么,只看CCD的性能,是否就能够了解相机的性能呢?回答是:"从某种程度上来说,是的"。

由CCD的性能决定的图象性能的要素有很多,其中,能够为使用者得到相关信息的,包括以下几项:CCD尺寸、像素数量、单位像素尺寸、传输方式、读出方式、CCD滤镜颜色。 像素尺寸虽然在厂商的性能表上没有直接列出来,厂商在宣传的时候也是着重说像素数量而对像素尺寸避而不谈。但是我们还是可以从其他的性能数据中推算出来,有的时候还可以从主要的CCD制造商的主页上查找到。现在,世界上的CCD的品牌和种类并不多。大的厂商主要是KODAK、SONY和PHILIP。

但是,如果认为在这些数据中,最重要的是像素数的话,那就错了。如果把CCD比喻成是PIZZA的话,那么PIZZA的尺寸就是CCD的尺寸。而将其切开的块数就是像素数。而决定CCD性能的最基本的要素就是像素的尺寸,也就是说,是PIZZA上切下的小块的尺寸。例如,1/1.8英寸(对角线长8.98mm)420万像素,单个像素尺寸为3.125微米的CCD,与NIKON D1的28.37mm对角线274万像素,单个像素尺寸为11.8微米的CCD相比较,像素数量的差异是很明显的。事实上,后者在细节上的表现能力也是众所称道的。

那么,CCD像素以外的性能又是怎样的呢?

首先是数据的传输方式。所谓传输方式,就是从CCD的各个像素读出数据的方式,为了便于理解,可以把CCD看成是在一个很小的区域内排列的很紧密的很多水桶的集合。这些小水桶就是CCD的感光部件,称为感光二极管。

说到传输方式的种类,有象水桶接力一样的祯传输(Frame Transfer)方式和在水桶边设置水道一样的插写(Interline)方式两种。在面积相同的情况下,后者由于需要为"水道"留下位置,所以"水桶"的尺寸相对就比较小。也就是说,从像素大小的角度来说,前者比较有利,但是从数据的传输速度来说,后者的传输速度比较快。

下一个要素就是读出方式。这其实是关于插写方式的演化的内容。插写方式原本是在摄象机用的CCD上使用的。摄象机用的CCD并不是把CCD上所有的像素的数据一次全部读出来,而是分奇数行和偶数行两次读出的。也就是说,是基于扫描线的读出方式。在这种情况下,"水道"的宽度只要能够满足"水桶"容量的一半就可以了。也就是说,相对来说,"水桶"的尺寸可以更大一点。

这种摄象机用的数据读出方式称为Inter race scan方式,而从摄象机用的CCD进化而来的数码相机专用的CCD,则是能够将所有像素的数据一次性全部传输出来,这称为Progressive scan方式。虽然从像素尺寸的角度来看,Inter race scan方式比较有利,但是如果采用这种方式,在摄影结束以后到数据传输完为止的时间内必须把CCD遮着不让光线照射到CCD上,所以必须并用机械快门。而且,考虑到CCD和快门的连动,快门的速度不可能很快。

另一方面,Progressive scan方式也有其局限性。虽然也要等到"水道"把"水桶"全部排空以后才能开始进行下一次的拍摄,但是因为不是一定需要用机械快门对CCD遮光,只要依靠CCD的电子开关就能够设定快门速度,所以能够使用高速快门。但是,如果流入"水道"中的水流过强的话,也就是说,如果如果拍摄的是很强的光源的话,有可能会发生溢出现象。因此,在采用Progressive scan方式的相机中,也有一些是同时使用机械快门,限制快门速度的上限。

最后的要素是滤镜的颜色。CCD原本是一种只能感受黑白颜色的传感器,为了能够增加颜色信息,所以在CCD的各个像素前面添加了色彩滤镜,只让特定颜色的光线通过,从而获得了颜色信息。这种滤镜有两种,一种是色彩还原能力较好的原色滤镜,一种是解析度较高的补色系滤镜。每一种滤镜都是4个一组,覆盖在每一个像素上。每一组原色系的滤镜包括1个红(R)、2个绿(G)和1个蓝(B),而补色系的滤镜则是包括黄(R+B)、青(G+B)、洋红(B+R)、绿(G)四种各一个。从解像力的角度来说,由于人的眼睛对于绿色最敏感,所以自然是补色系的比较有利。然而,由于从各个像素获得的色彩信息中都有绿色的成分,所以不可能获得很纯粹、很准确的色彩信息,因此,色彩的还原能力方面肯定不如原色系。

关于滤镜,还有一点必须要说的就是感度。感度的高低,不仅受到受光的CCD面积的大小的影响,还受到透过CCD的光量的很大影响。根据日本方面的测试数据,补色系能够透过的光量是原色系的1.5倍,所以在感度上也是补色系比较优秀。

 

为了得到好的影象

以上是和CCD相关的要素。为了获得好的影象,需要有干净、强烈的信号。通常使用S/N来表示,也就是用信号(Signal)/噪音(Noise)的比例来表示。噪音包括空间中的光线造成的光SHOT噪音、CCD上产生的暗噪音、读出数据的时候产生的READ OUT噪音,这些噪音和CCD面积的大小没有必然的联系。如果单位像素的尺寸比较大,产生的电荷比较大,S/N自然会有所提高。

那么,如果不能增大像素的尺寸怎么样呢?那就要看从前面的要素推导出来的CCD的规格性能了。

首先,民用的数码相机,由于需要把CCD上取得的图象传输到液晶显示屏上,所以都是采用的Inter Race scan方式。否则就只能使用光学取景器了。还有前面已经说过的,为了能够尽量的使像素的面积大一点,也只有采用这种方式了。

然后就是滤镜的颜色,虽然原色系有色彩还原性能优异的特点,但是补色系在解像能力和透过率上性能更好。所以采用补色系滤镜的厂商如OLYMPUS和NIKON都是在提高解像能力上下工夫。而采用原色系的厂商如FUJIFILM、CASIO、SONY、东芝都是着重于色彩还原能力。

不过,CCD的性能随着时间的改变在不断的提高,有一年的时间,也许就能够获得超越滤镜的差别的能力。当初采用补色系CCD的CANON IXY DIGITAL,在过了一年以后,就推出了使用原色系CCD的IXY DIGITAL 300/200,这可以说是最好的例子。

极小像素化与光学的极限

迄今为止,我们的话题一直是围绕CCD的性能而展开的。但是,前面所说的都是以有一个非常好的镜头为前提的,对于好的画质来说,还有很多CCD以外的因素。现在,我们就从镜头的角度来验证这一点。

有一点,也许知道的人不是很多,那就是从镜头透过的光,也是有表现力上的极限的。那是因为光也是一种波,既然是波,就有一定的振幅。而波长比那振幅更细小的东西,是无法被表现出来的。下面,我们就来具体的阐述。

光的波长可以使用nm(纳米)为单位表示。虽然光线中能够表现出来的波长全部都落到了CCD上,但是,光的解像能力还会受到光圈的变小而衰减。光圈还有决定拍摄对象的景深的功能。随着光圈的缩小,景深就会增加,同时解像能力会因为回折现象而降低。

现在,对于摄影元件的评价,已经从CCD的像素数,转变为以"CCD的像素数、理论要求线数、小光圈极限"表示的综合评价。表格中的理论要求线数是指能够表现每一个像素所必须的解像能力。与之相对,如果根据光圈值来查看光的解像能力,也就是象表格中"由F值决定的光线的表现极限"所诉说的那样,假如F8是极限,那么就算把光圈开放到F11,光的波长的限制也决定了CCD不可能得到更多的信息。

然而,前面所说的都是在没有任何光线的损失的前提下,是在使用一种根本就不可能存在的镜头的前提下的情况,在现实中,在比这更靠前的阶段中,就开始出问题了。前面所说的,就好象是驾驶着一辆只能以100公里的时速形式的车,以恰恰100公里的时速行驶时一样。也就是说,镜头的解像能力并不是远远凌驾在CCD的表现极限之上的,有的时候,也会有画质有很大差异,不能完全发挥CCD性能的情况出现。

这可以说是一种矛盾,仅仅只依靠CCD和镜头的改善,是不可能解决的。从某种程度上来说,数码相机陷入这种状况,仅仅把高像素作为追求的目标的市场和不公开对于画质有很大影响的像素的数据的制造商,都有一定的责任。

由于上面所说的理由,一般的民用数码相机的光圈,上限一般是在F8,下限--也可以说就是镜头的性能的极限是F1.8~F2.8,而曝光控制只能在5档之内选择。

另外,如果为了获得更好的CCD的S/N比而采用Inter race scan方式的话,就象前面说过的,必须要保证和机械快门同步,这就限制了快门速度的上限只能在1/1000秒的样子。在ISO100的感光度计算一下,就会得到"曝光设定的余地"表格。

通常,使用ISO100的胶卷,在晴天的室外拍摄的时候,是使用1/125秒、F11。而数码相机的上限限定在1/1000秒、F8。因此,如果是室外晴天,并且需要做超过2EV的曝光修正的场合,一般的民用数码相机就无能为力了。比如,在雪山的环境下的晴天,需要1/125秒、F22才能够获得最佳的效果,可是对于局限于1/1000秒、F8的数码相机来说,是不可能做那样大的曝光修正的。如果还想再进一步做一些负的曝光修正,更是毫无可能。可以说,由于相机本身的局限性,我们的表现手段也受到了局限。

拍摄的景深也受到了局限

不过,这样的CCD和镜头也并不是没有存在的价值。因为我们所使用的民用CCD面积比较小,为了适合这一点,所以所使用的镜头的焦距也比较短。比如,如果说一台数码相机可以拍摄50mm~150mm视角范围内的对象,只是说换算到35mm相机,相当于50~150mm,而他的实际焦距,是镜头上写着的f=7.0~21.0mm。

那么,当焦距比较短的时候,会有什么样的效果呢?效果体现在焦点上。准确的说就是会产生范围更大的景深。

拍摄出的照片具有镜头焦距越短,景深越大的特点,同时,镜头的光圈越小,景深也越大。例如,同样是使用50mm的镜头,使用同样的光圈,135相机的景深范围比较窄。也就是说,在使用相同的镜头的时候,民用数码相机的有效景深范围更大,因而因对焦不准而产生的画面模糊情况会更少。

然而,这仅仅对拍摄纪念照片有利,而对于拍摄艺术照片来说,是很不利的。在进行艺术摄影的时候往往需要将背景中的影象虚化以突出拍摄对象。为了能够实现拍摄意图,在使用数码相机进行创作的时候往往会比较麻烦。所以,本节所说的优点只是针对一般的纪念照片拍摄用户而言的,对于专业用户以及摄影发烧友来说又要另当别论了。

好的照片与不好的照片

就象前面一节说的内容一样,一幅照片是好的照片还是不好的照片,所做的判断是因人而异的。因为"好"本身就是一种很主观的评价。例如,对于笔者来说,所谓好的照片,是指那些取材好,且使用的处理很适当的照片,而对于有的人来说,也许是指那些色彩很鲜艳、对比很强烈,让人印象深刻的照片。

在多数场合下,所谓印象深刻的照片很多都是那些使用的彩度几乎到达饱和的地步,而对比度也高到无法再高的地步的照片。当希望制作出在一堆照片中一下就能捕捉到别人的目光的照片的时候往往就会陷入这种境地。这就象对自己没有信心,所以要依靠服饰来为自己增强信心一样。

但是,这种照片往往没有更进一步调整的余地。而且在打印的时候,彩度最高的部分往往会变成很深的没有层次感的一色。这样的照片在电脑上看看还可以,在需要在其他场合应用的时候就显示出他的不足来了。可见,高彩度的照片未必就好。

另外一方面,那些让人看了觉得很沉闷,想睡觉的照片,有的时候是因为彩度不足,也有的时候,是因为是拍摄来做为创作的素材使用,所以没有对于彩度以及色阶做特别的强调处理。对于需要做进一步处理的需求来说,这反而是最合适的。

对于获得素材型的照片,最终极的方式,称为CCD-RAW。也就是对于拍摄下来的数码图象不做任何处理,直接将CCD获得的数据存储为一个文件,以待之后再在PC中处理。 使用这种方式,首先是可以使用PC对图象做无损的处理。比如,一台不能很好的描写斜向直线的数码相机,在使用CCD-RAW的时候,也可以很好的还原出很清晰的直线。

其次就是不会忽略信息。CCD的输出能力多数都是12bit甚至更高,但是转存为JPEG的时候,就成了各色8bit。也就是说,是把12bit的表现能力的高、低两端去除,只保留了中间的8bit。而具体的如何取舍,根据数码相机制造商的不同而有所不同,但是总体上来说,未必都符合使用者的要求。换句话说,就是,使用CCD-RAW可以保留很多在转存为JPEG的时候被丢弃的信息,从而有更强的表现能力。

 

日期:2008年2月2日 - 来自[实验技术]栏目

CCD图像传感器

CCD图像传感器
文章来源:本站编译
 
    CCD主要有以下几种类型:
    
    面阵CCD:允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。
    
    线阵CCD:用一排像素扫描过图片,做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜,正如名称所表示的,线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像,线性阵列,处理高分辨率的图像时,受局限于非移动的连续光照的物体。
    
    三线传感器CCD:在三线传感器中,三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜,当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机,以产生高的分辨率和光谱色阶。
    
    交织传输CCD:这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化,允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。
    
    全幅面CCD:此种CCD具有更多电量处理能力,更好动态范围,低噪音和传输光学分辨率,全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像,并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着,系统进行精确的图像重组。
    
    
    
    数码相机曝光的整个流程:
    
    1. 机械快门打开,CCD曝光
    2. 在CCD内部光信号转为电信号
    3. 快门关闭,阻塞光线。
    4. 电量传送到CCD输出口转化为信号。
    5. 信号被数字化,数字资料输入内存。
    6. 图像资料被进行处理,显示在LCD或电脑上。
    
    
    面阵数码相机如何解决彩色图像的曝光?
    
    1.三块CCD同时曝光的方法
    
    第一种方法是采取了三块CCD芯片同时曝光的方法,它可以在一次曝光拍摄的同时,捕捉到所有的彩色信息。当光线通过镜头射向CCD表面的时候,由一个特制的棱镜式分光镜,将影像的成像光速成分射到三个不同的CCD平面。每一个CCD只记录红绿蓝色光中一种色光的彩色信息,并且只再现一种色彩,然后通过软件的对准处理,合成为一幅完整的全彩色画面。
    
    由于人类的眼睛对于光谱绿色波段的光色最为敏感,有些数码相机在安排滤色片的时候使用两排绿滤色片来记录绿光信息,而使用第三排红色和蓝色的马赛克滤色片来分别记录红光和蓝光的信息。由于红色和蓝色信息存在间隙,这里需要由计算机采取的插值计算方法来增加附加它的彩色信息。
    
    
    2、单一芯片三次曝光的拍摄方式
    
    面阵排列数码相机捕捉彩色信息的第二种方法是“单一芯片三次曝光的拍摄方式”。采取这样的方法时,数码相机镜头的前方需要安装一个滤色片转轮,拍照时必须通过转轮中的红绿蓝三块滤色片,分别做三次单独的曝光,分别记录下红绿蓝光的彩色信息。最后照相机的软件将三次曝光的影像信息结合在一起,构成为全彩色的影像。
    
    使用这样的方法时,由于是用三次曝光来记录彩色信息,显然,摄影者使用这样一台面阵的数码相机,就只能局限于拍摄静态物体。此外,由于三次拍摄条件可能出现的差异,很可能产生数码相机的软件不能适当重新组合影像的问题。特别是曝光过程中,光源发生的波动也都会改变影像的彩色平衡。三次曝光的数码相机可以用来拍摄动态的单色影像(包括黑白照片),这是因为在滤色片转轮上,除了三块红绿蓝滤色之外,还有一块透明的滤色片,它是用来黑白影像做单次曝光拍摄时使用的。由于只需要一次曝光,因而它可以拍摄动态物体。
    
    3、单芯片一次曝光的拍摄方式
    
    第三种方式是“单芯片一次曝光的拍摄方式”。在这一方式中,每一单个的像素都以两种方式覆盖着不同的红,绿,蓝色滤色片,一种是条纹覆盖法,另一种是马赛马克图案交错覆盖法。有些芯片上的绿滤色片多于红色和蓝色滤色片,这是因为需要去适应人眼视觉在可见光谱中对绿色更为敏感的特点。这样,较多地使用绿色滤色片可以改善影像的分辨率。
    
    每一个感光的像素只能捕获一种彩色,它需要从相邻的像素那里获得更多的彩色信息,这是采取插值的计算方法实现的。如果不正确的彩色信息被赋值于像素之中,那么插值的效果也会出现问题,这通常在高反差影像的边缘部分表现得最为明显,比如黑色的文字,常常会出现彩色的镶边。
    
    CCD在图像运作的三大角色:
    
    1. 曝光,通过离散的像素将光信号变为电信号。
    当入射光以光子的形式落在像素阵列上时,就获得一个图像。每一个光子相对应的能量被硅吸收就发生反应产生一个(电子-孔)电量组,每一个像素所能收集到的电子数,线性地取决于光亮的程度和曝光的时间,非线性的取决于波长。
    
    2. 电量转移,在CCD内部进行电量转移。
    一旦电量被集中并保持在像素的结构中,就一定会使在物理上与像素分离的侦测放大器得到电量,当一个像素的电量移动时,同时相对应的像素的电量都会移动。
    
    电量对电压的转换并输出放大。
    
    CCD后背
    
    CCD是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路,很快CCD具有许多其他潜在的应用,包括信号和图像(硅的光敏性)处理。
    
    CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能,在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件,被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。
    
日期:2008年2月2日 - 来自[实验技术]栏目
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浅析CCD、SuperCCD与CMOS

    数码相机的发展真可谓一日千里,近来各种新的感光技术纷纷涌现。很多数码相机生产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高,画质怎么怎么好。顾客在选购数码相机时也比较困惑,心里没底。为了让大家对目前市场上常见的三种数码相机感光芯片--CCD、SUPER CCD、CMOS有一个大概的了解,我们对这三种感光元件做了个总结,欢迎各位读者和我们进行探讨。

大部分数码相机使用的感光元件是CCD(Chagre Couled Device),它的中文名字叫电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料。他是由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到CCD上,并被转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门,CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上,模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号,数字信号以一定格式压缩后存入缓存内,此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。目前主要有两种类型的CCD光敏元件,分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机,它每次只拍摄图象的一条线,这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高,速度慢,无法用来拍摄移动的物体,也无法使用闪光灯。因此在很多场合不适用,不在今天我们讨论的范围里。

另一种是矩阵式CCD,它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素,当快门打开时,整个图象一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中,相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中,相机内部的微处理器从每个像素获得信号,将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光,微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成,其中包含着数学计算,因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。另一种处理方法是使用三棱镜,他将从镜头射入的光分成三束,每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色,然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。也就是可以做到同点合成,因此拍摄的照片清晰度相当高。该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。在你照下一张照片前,必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。因此这类相机对其他部件的要求非常高,其价格自然也非常昂贵。

SUPER CCD是由富士公司独家推出的,它并没有采用常规正方形二极管,而是使用了一种八边形的二极管,像素是以蜂窝状形式排列,并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间,光线集中的效率比较高,效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。富士公司宣称,SUPER CCD可以实现相当于ISO 800的高感度,信噪比比以往增加30%左右,颜色的再现也大幅改善,电量消耗减少了许多。富士公司宣称SUPER CCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美, SUPRE CCD打破了以往CCD有效像素小于总像素的金科玉律,可以在240万像素的SUPER CCD上输出430万像素的画面来。因此,富士公司和他们的SUPER CCD一推出即在业界引起了广泛的关注

在传统CCD上为了增加分辨率,大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸,降低单位像素面积,增加像素密度。我们知道单位像素的面积越小,其感光性能越低,信噪比越低,动态范围越窄。因此这种方法不能无限制地增大分辨率。如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率,只会引起图象质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量,就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难,成品率也比较低,因此成本也一直降不下来。

传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD采用蜂窝状的八边二极管,原有的控制信号路径被取消了,只需要一个方向的电量传输路径即可,感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD在排列结构上比普通CCD要紧密,此外像素的利用率较高,也就是说在同一尺寸下,SUPER CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高,使感光度、信噪比和动态范围都有所提高

那为什么SUPER CCD的输出像素会比有效像素高呢?我们知道CCD对绿色不很敏感,因此是以G-B-R-G来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用,因此图象质量与理想状态有一定差距,这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系,做到了R、G、B像素相当,在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点,其实只要三个就行了,浪费了一个,而SUPER CCD就发现了这一点,只用三个就能合成一个像素点。也就是说,CCD每4个点合成一个像素,每个点计算4次;SUPER CCD每3个点合成一个像素,每个点也是计算4次,因此SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高,生成的像素就多了。

科学是要以事实来说话的,再有道理的理论没有事实基础还是一句空话。经过我们反复对富士SUPER CCD的几款民用级数码相机试拍后发现,至少对民用级的SUPER CCD来说,在其最大分辨率的图象质量并没有人们想象地那么好。除了色彩还原比较艳丽外,我们可以在蓝天和暗部细节发现有明显的噪音信号,成像清晰度一般。这就说明240万像素的民用级SUPER CCD无法达到其标称的430万输出像素。那么240万像素的SUPER CCD到底相当于多少像素的CCD呢?根据上一段的陈述,我认为SUPER CCD对像素的利用率比CCD高33%,因此其输出像素也应该比CCD高33%。富士FINEPIX 4900的总像素为240万像素,根据我的估算,它的输出像素大概相当于320万(240×133%=320万)。而4900标称的输出尺寸是430万像素,那么这110万像素是怎么多出来的呢?我想可能是使用了插值技术。这就可能是为什么我们在以100%的尺寸看SUPER CCD拍摄的照片总不是很清楚的原因了。如果要客观公正地对待使用SUPER CCD的FINEPIX4900、FINEPIX4700等相机就应该将其看作一部320万像素的数码相机。

我们对CMOS的认识是从去年佳能公司发布EOS D30的准专业级数码机身开始的。当时许多业内人士都大吃一惊,对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议,认为CMOS的成像质量无法满足较高要求的专业用户的需要。那用CMOS做的感光元件在成像质量上真的一无是处吗?还是让我们先来了解一下什么是CMOS吧。CMOS即互补性金属氧化物半导体,其在微处理器、闪存和ASIC(特定用途集成电路)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二极管组成的CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。我们知道在佳能EOS系列AF相机上,CMOS一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片,并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大,如果抑制得不好就十分容易出现杂点。D30有专门的回路控制暗电流,在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作,可以从很大程度上降低噪点的产生。

此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子,如果分辨率为300万像素,那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷,扫描的方法非常简单,就好像把水桶从一个人传给另一个人,并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此,CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可节省任何无效的传输操作,所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描,同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

我们通过INTERNET查看了大量由CANON EOS D30所拍摄的照片,发现CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力,相信CMOS是未来数码相机的发展方向。

日期:2008年2月2日 - 来自[实验技术]栏目

数码摄影的八大参数

数码摄影的八大参数

    课程内容概要
    
    数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品,它集成了影像信息的转换、存储、传输等部件,具有“数字化存取”模式、与电脑交互处理、实时拍摄等特点。数码相机的许多性能指标都借助了传统相机的相关概念,但数码相机与传统相机在构造上有着本质的不同,所以一般厂家都使用了“相当与传统相机”的概念,对数码相机进行描述。
    与传统相机一样,数码相机的各部件的性能参数影响着影像的生成效果,本章节的内容就是主要介绍影响数码相机拍摄品质的八个性能参数。
    
    1、数码相机的色彩深度

色彩深数也就是彩色位度,数码相机的彩色深度指标反映了数码相机能正确记录的色调有多少,色彩位数值越高,就越有可能真实地还原亮部及暗部的细节。
    
    目前几乎所有的数码相机的色彩位数都达到了24位,可以生成真彩色的图象。一些号称30或36位的数码相机,实际上也只有24位,目前商用级的数码相机CCD都是24位色彩位数。这一指标目前并不是衡量数码相机的关键指标。

大家要注意,CCD是没有彩色和黑白之分的,之所以数码相机可以呈现彩色,是以为在镜头前增加了滤镜。而在凝胶成像等科学研究仪器中都是黑白的,所以很多CCD都只有8个BIT,也就是256级灰度。彩色的之所以可以达到24BIT,三种8BIT的颜色相乘就得到24BIT了


    2、数码相机的分辨率
正如传统的照片分辨率与相机所用“胶卷”有很大关系一样,数码相机所拍摄的图像的分辨率与它的 “胶卷”――图像传感器有十分的关联,而其核心部件――成像光敏元件的运行直接影响到成像的分辨率。
    
    目前使用的光敏元件有两种:
    一种是广泛使用的CCD(电荷耦合)元件;
    一种是新兴的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。
    在相同分辨率下,CMOS比CCD便宜,但是CMOS光敏器件产生的图像质量要低一些。
    
    CCD图像传感器由一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变为电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字相机的CCD内含的晶体管数量越多,分辨率也越高。CCD的分辨率——“像素数”常被用作划分数码相机档次的主要依据。虽然如此,但正如颗粒度不能完全概括胶卷的成像质量一样,分辨率也不是评价CCD质量的唯一标准。除了CCD的分辨率,色彩深度、芯片本身的制造水平等对最终成像质量也能带来不容低估的影响。
    
    但与数码相机其它指标相比,分辨率依然是数码相机最重要的性能指标。数码相机拍摄图像的像素数取决于相机内CCD芯片上光敏元件的数量,当然,相机的价格也会大致成正比地增加。数码相机的分辨率还直接反映出能够打印出的照片尺寸的大小。分辨率越高,在同样的输出质量下可打印出的照片尺寸越大。就同类数码相机而言,分辨率越高,档次就越高,但与此同时,图像占用的存储器空间就越多,对加工、处理的计算机的速度、内存和硬盘的容量以及相应软件的要求就更高。
    
    单从CCD芯片制造工艺的角度考察,其芯片面积越小、集成度越高越好。有人认为,在镜头光学分辨率有限、CCD像素数一定时,芯片面积越大,成像质量越好。但从目前数码相机的实际拍摄效果来看,使用小芯片CCD的数码相机的图像相对好些。
    
    在了解数码相机的分辨率时,一定要区分两个分辨率的概念:
    一个是CCD的分辨率(或PPI),另一个是拍摄所能得到的图像的分辨率(一般厂家标明的图象的最大分辨率)。这两个分辨率,原则上是CCD的分辨率决定所得图象的最大分辨率,而这两个分辨率往往是不相等的。
    
    选择数码相机时,CCD的分辨率(像素点)是最为重要的指标,在同样的拍摄图象的最大分辨率下,CCD的分辨率越大越好。例如,对于同样可以拍摄1280X1024图像分辨率的相机,150万像素CCD的相机的拍摄质量要优于141万像素CCD的数码相机。这是因为,CCD作为感光器件,CCD边缘的像素点在拍摄时,由于边缘光的影响,一般会出现一定的偏色和眩晕,数码相机在CCD像素大于图象拍摄像素时,会自动切除边缘像素,从而去除眩晕和偏色,边缘切除越多,对成像的清晰率等越好。
    
    这就是厂家用141万像素甚至150万像素的CCD制造最大拍摄1280X1024(131万像素)的图象数码相机的原因。所以追求品质的厂家一般都用远高于拍摄图象的最大像素的CCD。
    
    但目前有不少相机的拍摄图象像素(如1200X1800,即131万像素)远高于CCD的像素。这是通过软件进行插值处理的结果(任何一个图像处理软件都有此功能)。但软件加大精度只能使图象细节模糊,把图像放大,则清晰度往往难以令人满意。所以,在购买数码相机时应以CCD为衡量相机好坏的标准。
    
    虽然厂家都会标明其相机的最大分辨率,如1280×1024,但一般情况下,用户都要根据需要,调低分辨率或压缩比(同一分辨率下可以有不同的压缩比,分辨率和压缩比同时决定照片的质量),以便在相同的存储卡上保存更多照片。这种调整模式的选择应当是越多越好。当然,质量和数量在同一存储卡上就是一对矛盾,这要由用户自己选择。

    3、数码相机的光学镜头

镜头的好坏一直是影响相机成像质量的关键因素,数码相机当然也不例外。
    
    由于现今的数码相机所用的CCD分辨率很有限,所以数码摄影原则上对镜头的光学分辨率并没有太高的要求;但也要看到,由于数码相机的成像面积较小(因为数码相机成像在CCD上,而CCD的面积较传统35毫米相机的胶片要小很多),这也要求镜头保证一定的成像质量。比如,对某被摄体,水平方向需要200个像素才能完美再现其细节,如果成像宽度为10mm,则光学分辨率为20线/mm的镜头就能胜任,如果成像宽度为1mm,则要求镜头的光学分辨率必须在2000线/mm以上。
    另一方面,传统胶卷对紫外线比较敏感,外拍时常需要加装UV镜,而CCD对红外线比较敏感,镜头的特殊镀层或外加滤镜也会大大提高成像质量。
    
    镜头的物理口径也是必须考虑的,且不管其相对口径如何,其物理口径越大,光通量就越大,数码相机对光线的接受和控制就会更好,成像质量也就越好。
    
    目前商用或家用数码相机的镜头,部分厂家采用了相对比较好的镜头。如富士相机采用了170线/mm解析度的专业富士龙镜头,这种内置的新型富士龙镜头要比大多数SLR镜头清晰。不仅在精度上保证了图像的拍摄质量,而且其镜头错误率也达到令人惊异的0.3%, 较一般的数码相机要低上2/3。
    
    另外,一些数码相机还提供了远距及广角两种镜头方式。这也是您选择数码相机时的一个参考指标。
    
    在传统相机中,广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。广角镜头又分为普通广角镜头和超广角镜头两种。135照相机普通广角镜头的焦距一般为38-24毫米,视角为60-84度;超广角镜头的焦距为20-13毫米,视角为94-118度。由于广角镜头焦距短,视角大,能在较短的拍摄距离范围内拍摄到较大面积的景物,因而广泛用于大场面风景的拍摄。
    
    使用广角镜头能获得以下几个方面的效果:
    
    一是能增加摄影画面的空间纵深感;
    二是景深较长,能保证被摄主体的前后景物都能在画面上清晰再现(所以,绝大多数的袖珍式自动照相机――即傻瓜相机都采用38-35毫米的普通广角镜头);
    三是镜头的涵盖面积大,拍摄的景物范围宽广;
    四是在相同的拍摄距离处所拍摄的景物,比使用标准镜头所拍摄的景物在画面中的影像小;
    五是在画面中容易出现透视变形和影像畸变的缺陷,镜头的焦距越短,拍摄的距离越近,这种缺陷就越显著。
    
    目前商用级数码相机大多使用视角与普通35 mm相机相同的普通广角镜头,由于其景深大、拍摄范围广等优点,因而同样性能的数码相机,能够同时具有广角和远距功能的数码相机的性能会更好一些。目前具有广角拍摄功能的数码相机有富士MX-600,KODAK DC265,OLYMPUS 1400XL等


    4、数码相机的镜头焦距

数码照相机镜头与人类的眼睛一样,用来摄取世界万物的影像,人眼的焦距若出现误差(如近视眼),则无法清晰地分辨事物,同样,数码相机镜头的焦距的偏差也会造成影像的模糊。焦距是相机镜头的最主要的特性之一。焦距不同,能拍摄的景物的广阔程度就不同,照片效果也迥然相异。
    
    与传统相机不同,数码相机有不同的焦距标准来划分镜头的性质,这是因为数码相机使用的是CCD感光器件。要说明这个问题,首先就得从镜头视角与焦距的关系谈起。从镜头的中心点到成像平面对角线两端所形成的夹角就是镜头视角。对于相同的成像面积,镜头焦距越短,视角就越大(如135相机的广角、长焦之分);而对于同样焦距的镜头而言,相机的成像面积越小,镜头的视角也越小(如135相机的28毫米镜头的视角要比数码相机的28毫米镜头的视角要小)。
    
    35毫米相机的成像面积等于135胶卷的感光面积——标准的36×24毫米;数码相机的成像面积随相机所使用的CCD传感器大小而改变,因此有好几种规格,从高档的专业相机的18.4×27.6毫米到家用型数码相机的2/3、1/2、1/3甚至1/4英寸等不等。也就是说,传统相机与数码相机之间,不同的数码相机之间,“标准镜头“的标准尺寸(即与人眼视角基本相等的镜头视角)是不同的,同一个镜头,在这个数码相机上看到的是广角效果,但在另一台数码相机上看到的可能就是长焦效果了。因此,对于数码相机而言,用焦距值来区分镜头的视角是很不方便的,所以各数码相机厂家通常都会提供一个相对值,即标出与数码相机镜头视角相同的35毫米相机镜头焦距(从这看来,数码摄影在一些方面还得依于传统摄影的概念、标准)。比如富士MX-500的镜头焦距为7.6毫米,对角线视角70度,相当于35毫米镜头的小广角。在评价与选购数码相机时,也只要参考换算到35毫米相机的镜头焦距就可以了,镜头具体的实际焦距是多少,我们可以不大关心。
    
    用过传统相机的超广角镜头的人也许会担心数码相机的7.6毫米镜头所产生的影像会极度变形,但事实上是不会的,因为决定镜头结构的是它的有效视角,而不是简单的焦距值,数码相机上的7.6毫米镜头采用的是传统相机上35毫米小广角镜头的设计,而不是7.6毫米鱼眼镜头的结构。数码相机镜头的焦距值与实际成像效果并无直接联系。由于透镜的体积小了,相对成本也降低了,反而可以轻松地实现较高的成像质量。


    5、数码相机的光圈与快门

与传统的相机一样,数码相机的光圈范围与快门速度对拍摄来说是至关重要的两个因素。但目前普通的商用及家用级的数码相机大都实现了全自动化,这使得人们更多地关心景物的选择,而不太注重光圈及快门速度的选用。但在购买数码相机时,一定要检查它的光圈范围及快门速度,因为光圈和快门的组合将控制数码相机的光线摄入量的总体范围值,也就是说它将影响能否在各种光线情况下获得很好的效果,而且快门速度还将直接影响您动态影像的拍摄,光圈范围则将影响所拍摄的影像的景深。
    
    数码相机拍摄照片的过程是开启快门后,让被摄物的影像透过镜头,投射到CCD传感器上,传感器捕获的光线信息通过“数/模”转化器转化成数字信息,并在相机的存储卡上记录下来。这个过程与传统相机的曝光过程是大体一致的。
    
    想要用数码相机捕获层次丰富的影像,就要恰当控制投射在CCD感光器的光量。如果曝光准确,所得的影像的细节都可以得到正确的描述,明暗过渡、影调反差、影像鲜锐度行等都能有最佳表現。CCD吸收过多的光线则将导致曝光过渡,所得的影像将明显偏亮;而吸收太少光线则会导致曝光不足,照片将偏暗,细节将丢失。所以选择合适的曝光量对数码摄影是非常重要的环节――这与传统摄影是一样的。
    与传统相机一样,控制数码相机曝光量的也是「光圈」与「快门」,而它们的工作原理也是相同的。「光圈」是指光线所通过的镜头的口径,口径越大,单位时间所投射的光线就越多;「快门」是光线通过镜头的时间,时间越短,曝光量越小。
    
    数码相机的光圈也由数片金属薄片组成,利用金属薄片的移动来调节进光孔的大小――即光圈大小。与传统的反光相机一样,数码相机的镜头上有光圈值f的刻度:1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22……等,光圈级数f越大,表示镜头的口径越小(f值为将镜头的焦距与光孔的口径相除所得的數字,因此数值越大,口径也就愈小)。而光圈级数之间的单位进光量都是相差两倍。目前的数码相机有些并不按以上级数设置光圈,而是按f2.8,f.5.6,f11,这时的上下级之间的进光量差别就是四倍了。
    
    光圈的选择与镜头的焦距长短也有一定关系。长焦镜头的长度一般都较长,从光线的进入点到CCD的距离就长,投射到CCD上的光线就会比较弱,因此镜头上的光圈就会略小一点,这里若得到相等的曝光量,就要把口径拉大(或增加曝光时间)。但f是一个定值,35毫米和200毫米的镜头的进光量是一样的。
    
    快门速度值通常标为:1、2、4、8、15、30、60、125、250、500……,这些所代表的实际意义是1秒的倒数,如“15”是指1/15秒,“250”是指1/250秒。和光圈一样,每一格的快门速度之间的光量差也是2倍,例如,快門1/500秒的光量值为1/250秒的一半。
    
    用数码相机拍照时,我们可以通过改变光圈或快门来改变曝光量,但不同的曝光组合会产生不同的效果。
    
    相机快门可分为高速快门与慢速快门。一般情况下,1/30秒以上的快门都是高速快门,它能固定动体的影像;从1/30秒到1秒,甚至1秒以上的B門都是属于慢速快門。慢速快门有三种不同的使用方法,能产生不同影像效果:
    
    一、是将相机固定后,用较慢的快门速度,使运动中的物体产生模糊影像,背景(静物)的清晰衬托出动感;
    二、让相机随着物体运动的方向平移或是转移,产生的效果是背景变得模糊,而动体则会模糊中略呈清晰,起到突出主体的效果;
    三、快速摇晃相机,使整张照片都模糊不清。
    
    我们常用慢速快门来拍摄城市的夜景,因为流动的车灯能产生红色或白色的影像,并形成光带,十分绚丽,描绘出城市的繁华。用慢速快门来拍摄流水也能得到很好的影像。
    
    在选用慢速快门时,要特别注意一点:不像高速快门的1/250秒和1/500秒拍出的效果难以比较,两级慢速快门之间相差的曝光时间很长,拍出的效果很不一样(虽然曝光量是一样的),比如快门过快,可能会冻结景象,快门太慢,则影像会太模糊。至于每一慢门能得到什么样的图像效果,要靠摄影者自己试验。
    
    而光圈除了调节曝光量,最重要的是它能控制画面的「景深」大小,所谓「景深」就是:调焦后,在焦點的前后能产生的一定范围的清晰影像,这一段距离就是景深。景深越长,清晰影像的范围越大;反之,景深愈小,则清晰范围越小。与景深相关的另一概念是“超景深”,这也是摄影者须掌握的。
    
    影响景深有三种因素:
    (1)景深与焦距成反比,就是镜头焦距越长,景深越短。
    (2)景深与拍摄物距成正比,物距小,景深就短。
    (3)景深与光圈大小成正比。小的景深能使被摄体突出,同时使杂乱的背景形成柔和美。
    
    对于专业级的数码相机,一般都提供手动控制光圈和快门速度的功能,但商用及家用型的数码相机的光圈和快门速度,大都由相机自动控制。
    
    6、数码相机的白平衡

    没有白平衡功能的数码相机拍摄的效果与人眼所见的相差不小:发现荧光灯的光人眼看起来是白色的,但用数码相机拍摄出来却有点偏绿。同样,如果是在白炽灯下,拍出图像的色彩就会明显偏红。人类的眼睛之所以把它们都看成白色的,是因为人眼进行了修正,而数码相机的CCD传感器本身并没有这种功能。那么能不能让数码相机拍摄出的图像色彩与人眼所看到的完全一样呢?这就需要“白平衡”来调整,它能实现数码相机在各种光线条件下拍摄出的照片色彩和人眼所见的完全相同。
    
    颜色实质上是人眼对光线的反应,在正常光线下,白色看起来是白色,但在较暗的光线下看,可能就不是白色。“白平衡”功能简单的说,就是无论环境光线如何都能把"白"定义为"白"的一种功能。只要正确定义“白色”,其它颜色就有发基色,就能较好地还原颜色。
    现在的大多数商用级数码相机均有“白平衡”调节功能。由于白平衡与周围光线密切相关,因而“白平衡”功能的启动一定程度上将限制闪光灯的使用,否则由使用闪光灯所引起的环境光的改变将使“白平衡”失效或不正常运行。
    
    数码影像的白平衡调配整可以在图像处理软件中实现,但如果你不熟练图像处理软件的操作,或者不愿多这道工序,那么我们建议你选择具有较好的“白平衡”功能的数码相机。
    
    各生产厂家的数码相机操作不大一样,有些是自动进行白平衡,也些必须手动操作。而能自动进行白平衡的数码相机的修正能力也是不相同的。因此,在选购数码相机时,最好选择具有手动和自动两种方式、多种模式控制的白平衡功能的相机。
    

    7、数码相机的感光度

    使用过传统相机的人都知道,胶卷最重要的指标就是感光度——衡量胶卷需要多少光线才能完成准确曝光的数值。胶卷感光度一般用ISO值表示,这个数值大,胶卷对光线的敏感程度就强。不同感光度的胶卷适合于不同场合的拍摄,如ISO100的胶卷最适合于在阳光灿烂的户外进行拍摄,而ISO400的胶卷则可以在室内或清晨、黄昏等光线较弱的环境下拍摄。
    
    数码相机虽然不用胶卷,但用于感应光线信号的CCD对曝光量也就有相应要求,这与胶卷同属于感光灵敏度的问题。因此,CCD也就相当于胶片,有一定的感光度。数码相机厂家为了方便数码相机使用者,一般将数码相机的CCD对光线的灵敏度等效转换为传统胶卷的感光度值,因此数码相机就有了“相当感光度”的概念。
    
    用传统的衡量胶片感光度高低的分类看,目前数字照相机的“感光度”分布在中、高速的范围,最低的为ISO50,最高的为ISO6400,多数在ISO100左右。有一些数码相机的感光度是单一的,加之它的CCD感光宽容度很小,因而对拍摄条件的要求比较苛刻,在光线过强或过弱的情况下,使用效果会很差。另外一些数码相机的相当感光度在一定范围内可供选择,但感光度设置得高时与设置得低时的拍摄效果有一些区别,因此如果对数码相机的相当感光度不很了解的话,拍摄最好将它置于“最佳感光度”档上。
    
    选购数码相机时,CCD的感光度也是一个考虑的方面。如果数码相机的等效感光度较低,环境光线稍暗一点,相机就只好启用闪光灯,闪光灯的使用将使背景一片漆黑。较高的等效感光度则会给你带来委很大的灵活性,比如在室内可以不用闪光灯也能取得自然平衡的拍摄效果,在拍摄高速的体育运动,高感光度更能出现好的效果。
    
    从理论上来讲,数码相机的感光度越高,拍摄效果就会越好。但当前由于CCD制造工艺有限,想提高等效感光度就会使图像变得粗糙,丢失部分细节,影响图像质量,这与高感光度的传统感光材料所遇到的问题其实是一致的。所以目前商用级数码相机的感光度一般在ISO100左右,少数为ISO64或ISO50。

    8、数码相机的曝光补偿及曝光模式

    曝光补偿:控制曝光的一种有效途径
    
    光线对拍摄的影像质量至关重要,摄影的过程实质上就是对光线的"计算"。数码相机也一样。被摄体一般都处于不同的环境光线下,要使所得的影像有好的效果,就必须正确控制曝光,闪光灯、反光板等照明手段能有效地控制曝光,而曝光补偿也是控制曝光的一种有效途径。现在的商用数码相机一般均提供曝光补偿功能,调节范围一般在±2.0EV范围内。EV值称为曝光值,它反映的是光圈和快门速度的组合。EV值与景物亮度及胶片感光度也相关,通俗地说,胶片感光度越高,被摄物越明亮,EV值就越大。
    
    曝光补偿是让拍摄者对相机测光所测定的曝光“量”进行修正、调整,从而得到适宜于主体正确表现的准确曝光的一种功能。曝光补偿量均用+3、+2、+1、0、-1、-2、-3等数值来表示,“+”表示在测光所定曝光量的基础上增加曝光,“-”表示减少曝光,相应的数字为补偿曝光的级数(EV)。
    
    曝光模式:适应于不同的拍摄场合
    
    与传统相机一样,数码相机也能对曝光模式进行选择,以适应不同场合的拍摄,主要的曝光模式有以下几种:
    
    1、手控曝光模式
    手控曝光模式是最基础的曝光模式,专业摄影者大多使用这种曝光模式。手控曝光时,每次拍摄前都要人为选择光圈和快门速度的组合,需要的时间比自动曝光多一些,但它有个好处就是摄影者能主动控制影像。
    
    2、AE(Aperture Priority)模式
    AE模式大致可分为光圈优先AE式、快门速度优先AE式、程序式AE式和景深优先AE式四种。
    
    光圈优先AE式是由拍摄者人为选择拍摄时的光圈大小,再由相机根据景物亮度、胶片或CCD的感光度、人为预先选择的光圈等信息自动选择取得合适曝光所需要的快门速度的一种自动曝光模式,简单地说就是“光圈手动、快门速度自动”的曝光方式。光圈优先式自动曝光的优点,是可让拍摄者根据需要控制景深,所以这种曝光方式主要用在需优先考虑景深的拍摄场合,如拍摄风景、肖像或微距摄影等。使用光圈优先式自动曝光时,相机上的景深预视功能有效,加用各种近摄附件、反射式镜头时也有效,但用于拍摄动体、电视画面、计算机画面时效果会不甚理想。
    
    快门速度优先AE式,是在拍摄者选定快门速度的基础上,由相机根据测光信息、CCD感光度、人为设定的快门速度,自动选择取得正确曝光所需要的光圈大小,即“快门速度手动调节、光圈自动调定”的曝光方式。在该模式下,手动选择的快门速度和相机自动调定的光圈系数都会在LCD屏或取影器内显示。
    
    程序式AE曝光(P)是光圈和快门速度都由照相机根据的程序自动调节的自动曝光模式。这种曝光模式广泛应用于便携式相机(即傻瓜相机)。
    
    景深优先AE式又称景深自动曝光(DEP)是优先考虑景深的自动曝光方式,尤其适合于拍摄团体照和风景照时所用,这种优先曝光方式为佳能照相机所独有。
    


日期:2008年2月2日 - 来自[实验技术]栏目
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浅析CCD与CMOS影像感应器的技术原理

浅析CCD与CMOS影像感应器的技术原理
 

 

介绍

    CCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上,而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中,CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势,例如:省电、高集成度、成本更低等等。因此就未来影像感应技术的发展来看,数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地,未来低于4000元的数码相机的影像感应器相信将会由CMOS胜出,而高于这一价格的数码相机市场将会出现由CCD与CMOS共同领导的新局面。

    从工作原理上讲,这两种影像感应器都是将光讯号转变成电信号而进行輸出,而这一转换也是在每一个像素中所完成。所以要了解影像感应器的原理之前,我们必须先要了解像素的定义和原理。影像感应器制造商对像素的定义是:在影像感应器上将光讯号转变成电信号的基本工作单位。比如,一台数码相机标称使用一枚1280 x 960的影像感应器,那么它就会有1,228,800个像素,而这是完全不同于传统电视与电脑显示器制造商所使用的像素定义的。

像素的原理

电子显微镜下的CCD表面

    像素是影像感应器的基本单位,以CMOS感应器的像素为例,它包含了一个光电二极管,用以产生与入射光成比例的电荷,同时它也包含了其他一些电子元件,以提供缓存转换和复位功能。当每个像素上的电容所积累的电荷达到的一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后,所拍摄影像的原始信号才得以真正成形,而具有全部这些功能的器件才能称为是一个真正的影像感应器。

CMOS产品图片

信噪比

    影像感应器的信噪比可以用分贝(噪声单位)表示,当信号到达一定强度时,信噪比并不会等比例增加,但是,如果要让低伏值*的讯号可以被检测出来,那么信噪比就变得非常重要。

信噪比的基本定义为:在有效输出范围内,真值信号强度与噪声强度的比值。当真值信号被噪声所埋没后,后方将无法有效地从前方输出中提取信息。

*在常规的信号检测中,电压被做为可参考的主要依据,同样对于影像感应器来说,每个像素输出的电压高低便作为后方信号处理的实际依据。

色彩灵敏度失衡

    彩色影像感应器对不同波长的入射光有不同的灵敏度,而这将会造成拍摄影像时的的色彩失衡。当然,色彩失衡可以用后续的数字化处理得到补偿,但这也有可能放大在经过模/数转换后的噪声。现在的技术可以解决色彩敏感度失衡的问题,然后再将讯号送到模/数转换器进行数字量化,最后再运用色差增益或放大技术进行处理。

 

暗电流

    暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量,理想的影像感应器其暗电流应该是零,但是,实际状况是每个像素中的光电二极管同时又充当了电容,当电容器慢慢地释放电荷时,就算没有入射光,暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当。因此,在这些时候我们还是能从显示器上看到部分“影像”,大部分情况下这都是因为从暗电流中所累积的电荷释放造成的。所以,暗电流是影响画质的噪声之一,CCD与CMOS感应器的暗电流范围为0.075-2.0纳安/平方厘米左右。实际上因为CCD与CMOS在图像采集方面的本质区别,在暗电流的形成上差别还是比较大的。但是由于双方在后台处理上的不同,暗电流的影响已经消除了大半,因此在最终得到的实际影像上的差别还不是非常明显的。

像素的大小

    影像感应器能否捕捉到低亮度的影像将取决于每个像素的采光区域的大小,较大的像素将使影像感应器捕捉到更多的光子,如此便能提高像素的动态范围。但是,更大的像素也就需要较多的硅芯片,这也在无形当中加高了生产成本,因此决定最佳化的影像感应器组件大小将由设定采光区域的大小、低亮度的敏感性,以及所期望获得的实际影像质量来共同决定。

Crystal

通光晶片

IR absorption glass

红外截止玻璃

CMOS sensor

CMOS影像感应器

Low-pass filter

低通滤波器

Dichroic mirror

双色性反射镜

佳能EOS D60结构示意图及CMOS感应器结构图

CMOS影像感应器技术

    CMOS影像感应器大约是在80年代初发明出来的,只是当时CMOS设计制作技术不高,以致于感应器的噪声大,想要商品化并不容易。时至今日,CMOS感应器的应用范围已经非常广泛,包括数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具,以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛,这也非常有利于CMOS产品的普及。CMOS不但体积小,耗电量也不到CCD的1/10,售价也比CCD便宜近1/3,画质已接近低端分辨率的CCD,国内相关生产企业早已开始使用CMOS来替代传统的CCD感应器。

    CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品,在130万像素以下的CMOS品质已相当接近CCD感应器,而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷取方面,对影像品质要求不比静态的数码相机高,48万像素的画质就可以被用户所接受,目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。

    虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间,虽然在品质上仍难与CCD媲美,但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流,而这只不过是时间的问题。CMOS要想成为市场主流必须克服的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言,较高像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题 ,影像品质无法与同级CCD感应器相比。以目前的条件来看,CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码相机市场,时机尚未成熟。但是,影像感应器市场应用范围很广,涵盖消费、商业 、工业等多种领域,根据市场供求量的计算,在未来三年的发展中,CMOS感应器每年的累计增长率都将超过25%。

日期:2008年2月2日 - 来自[实验技术]栏目
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