数码相机硬件

数码相机图1数码相机基本硬件结构图像透过镜头在感光元件成像，经过A/D转换器变成数字信号，然后经过数字信号处理器对数字信号进行处理，在进行压缩和存储，或者是通过控制系统对计算结果判断对相机镜头、快门以及光圈进行调节。1.1数码相机硬件1.1.1光学部分(镜头)光学镜头的合理选取将决定整个系统的精度。镜头的基本参数焦距(FocalLength)：焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。光圈(Iris):用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如8mm/F1.4代表最大孔径为5.7毫米。F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。CCD:对应最大CCD传感器尺寸。镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2〃、2/3〃、1〃和1〃(英寸)以上。NA：数值孔径，数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a\2)的正弦值的乘积，计算公式为N.A=n*sina/2。数值孔径与其它光学参数有着密切的关系，它与分辨率成正比，与放大率成正比。也就是说数值孔径，直接决定了镜头分辨率，数值孔径越大，分辨率越高，否则反之。镜头分辨率(Resolution)：分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位：“线对/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的镜头成像越清晰。百万像素镜头对应的极限空间分辨率是90线对/mm,二百万像素镜头对应的空间分辨率是110线对/mm，五百万像素镜头对应的空间分辨率是160线对/mm相机分辨率（像素pixel）：相机的极限空间分辨率代表了的相机能够分辨的空间最小细节，其计算公式可以简单理解为：1/（单个像素尺寸*2），单位：线对/mm。在镜头和相机匹配时，镜头的极限空间分辨率必须高于相机的极限空间分辨率，这样才能让相机实现最佳成像性能。FOV：视野范围，视角FOV是指镜头所能覆盖的范围，（物体超过这个角就不会被收在镜头里）,一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。WD：工作距离，镜头第一个工作面到被测物体的距离。DOF：景深，指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小；距离拍摄体越远时，景深越大。0：光学放大倍率，CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。Flangedistanee:后背焦，准确来说，后倍焦是相机的一个参数，指相机接口平面到芯片的距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后倍焦是一个非常重要的参数，因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机，哪怕接口一样也可能有不同的后倍焦。接口（Mount）：镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。光学镜头的分类a） 按相机的不同分为面阵镜头和线阵镜头b） 按焦距分为定焦镜头和变焦镜头定焦镜头：焦距固定，一般光圈可调，带聚焦微调，只有小工作距离，视野范围随着距离变化。变焦镜头：焦距可以连续变化，尺寸比定焦镜头大，适合物体变化，像素质量不如定焦镜头。按放大倍数分为定倍镜头和变倍镜头定倍镜头：固定放大倍率、固定工作距离，无光圈、无调焦、低变形率，可以配合同轴光源使用。变倍镜头：在不改变工作距离的情况，可无级调节放大倍率，在改变放大倍率时，仍然呈现卓越的图像质量，结构复杂。按远心类型分为物方远心镜头、像方远心镜头和两侧远心镜头物方远心镜头：通过在像方焦平面上放置孔径光阑，使物方主线平衡与光轴，从而虽然物距改变，但成像位置不变。像方远心镜头：通过在像方焦平面上放置孔径光阑，使物方主线平衡与光轴，从而虽然CCD芯片的安装位置有所改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。两侧远心镜头：兼有以上两种特点，但结构更加复杂。工业相机的选型a)选择镜头接口和最大CCD尺寸镜头接口要与相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装即可；镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。b)选择镜头焦距镜头焦距决定视角范围，根据所需要视角的大小选择镜头焦距。1.1.2图像传感器(感光元件)类型现在数码相机的图像传感器有CCD和COMS两种。CCD(ChargeCoupledDevice)感光耦合元件为数码相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的CCD上有多少感光元件。CCD的主要材质是硅晶半导体，通过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。CCD元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原所有CCD上感光元件产生的信号，并构成了一幅完整的画面。CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)为互补性氧化金属半导体,其外形与CCD无异。CMOS的材质主要是利用硅和锗两种元素做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影像。在处理采集数据上，CCD与COMS的区别是：CCD每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入缓冲器（电荷储存器）中，由底端的线路导引输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC（类比数字模拟转换器）输出；相对地,在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。在结构上，CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持信号的完整性；CMOS的制造较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的信号。在成像效果上，CCD与COMS的比较如表1所示：表1CCD与COMS传感器成像效果CCDCMOS设计单感光器感光器连结放大器ISO感光度a）相冋面积下较咼感光开口小、灵敏度低成本高低解析度b）结构复杂度低解析度咼传统技术较低噪声多元放大器、噪声低误差大、噪声高耗能比需外加电压导出电荷，耗能高像素直接放大，耗能