數(shù)碼相機(jī)硬件

1、一、 數(shù)碼相機(jī)圖1 數(shù)碼相機(jī)基本硬件結(jié)構(gòu)圖像透過(guò)鏡頭在感光元件成像，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，在進(jìn)行壓縮和存儲(chǔ)，或者是通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)計(jì)算結(jié)果判斷對(duì)相機(jī)鏡頭、快門以及光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.1 數(shù)碼相機(jī)硬件光學(xué)鏡頭的合理選取將決定整個(gè)系統(tǒng)的精度。鏡頭的基本參數(shù)焦距（Focal Length）：焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距的大小決定著視角的大小，焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。光圈(Iris)：用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來(lái)衡

2、量。每個(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如 8mm /F1.4代表最大孔徑為 5.7毫米 。F值越小，光圈越大，F(xiàn)值越大，光圈越小。CCD: 對(duì)應(yīng)最大CCD傳感器尺寸。鏡頭成像直徑可覆蓋的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2、2/3、1和1（英寸）以上。NA：數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑等于由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率n與物鏡孔徑角的一半（a2）的正弦值的乘積，計(jì)算公式為N.A=n*sin a/2。數(shù)值孔徑與其它光學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它與分辨率成正比，與放大率成正比。也就是說(shuō)數(shù)值孔徑，直接決定了鏡頭分辨率，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高，否則反之。鏡頭分辨率(Resolution)：分辨率代表鏡頭記錄物體細(xì)節(jié)的能力，以

3、每毫米里面能夠分辨黑白對(duì)線的數(shù)量為計(jì)量單位：“線對(duì)/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的鏡頭成像越清晰。百萬(wàn)像素鏡頭對(duì)應(yīng)的極限空間分辨率是90線對(duì)/mm，二百萬(wàn)像素鏡頭對(duì)應(yīng)的空間分辨率是110線對(duì)/mm，五百萬(wàn)像素鏡頭對(duì)應(yīng)的空間分辨率是160線對(duì)/mm相機(jī)分辨率（像素pixel）：相機(jī)的極限空間分辨率代表了的相機(jī)能夠分辨的空間最小細(xì)節(jié)，其計(jì)算公式可以簡(jiǎn)單理解為：1/（單個(gè)像素尺寸*2），單位：線對(duì)/mm。在鏡頭和相機(jī)匹配時(shí)，鏡頭的極限空間分辨率必須高于相機(jī)的極限空間分辨率，這樣才能讓相機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳成像性能。 FOV：視野范圍，視角FOV是指鏡頭所能覆蓋的范圍，（物體超過(guò)這個(gè)角就不會(huì)被收在鏡頭里）,

4、一個(gè)攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來(lái)表示，這個(gè)角度就叫鏡頭的視角FOV。被攝對(duì)象透過(guò)鏡頭在焦點(diǎn)平面上結(jié)成可見影像所包括的面積，是鏡頭的視場(chǎng)。WD：工作距離，鏡頭第一個(gè)工作面到被測(cè)物體的距離。DOF：景深，指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。光圈越大，景深越??；光圈越小、景深越大。焦距越長(zhǎng)，景深越??；焦距越短，景深越大。距離拍攝體越近時(shí)，景深越小；距離拍攝體越遠(yuǎn)時(shí)，景深越大。：光學(xué)放大倍率，CCD/FOV，即芯片尺寸除以視野范圍。Flange distance：后背焦，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，后倍焦是相機(jī)的一個(gè)參數(shù)，指相機(jī)接

5、口平面到芯片的距離。但在線掃描鏡頭或者大面陣相機(jī)的鏡頭選型時(shí)，后倍焦是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊戠R頭的配置。不同廠家的相機(jī)，哪怕接口一樣也可能有不同的后倍焦。接口(Mount)：鏡頭與相機(jī)的連接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。光學(xué)鏡頭的分類a) 按相機(jī)的不同分為面陣鏡頭和線陣鏡頭b) 按焦距分為定焦鏡頭和變焦鏡頭定焦鏡頭：焦距固定，一般光圈可調(diào)，帶聚焦微調(diào)，只有小工作距離，視野范圍隨著距離變化。變焦鏡頭：焦距可以連續(xù)變化，尺寸比定焦鏡頭大，適合物體變化，像素質(zhì)量不如定焦鏡頭。c) 按放大倍數(shù)分為定倍鏡頭和變倍鏡頭定倍鏡頭：固定放大倍率

6、、固定工作距離，無(wú)光圈、無(wú)調(diào)焦、低變形率，可以配合同軸光源使用。變倍鏡頭：在不改變工作距離的情況，可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)放大倍率，在改變放大倍率時(shí)，仍然呈現(xiàn)卓越的圖像質(zhì)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。d) 按遠(yuǎn)心類型分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭物方遠(yuǎn)心鏡頭：通過(guò)在像方焦平面上放置孔徑光闌，使物方主線平衡與光軸，從而雖然物距改變，但成像位置不變。像方遠(yuǎn)心鏡頭：通過(guò)在像方焦平面上放置孔徑光闌，使物方主線平衡與光軸，從而雖然CCD芯片的安裝位置有所改變，在CCD芯片上投影成像大小不變。兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭：兼有以上兩種特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。工業(yè)相機(jī)的選型a) 選擇鏡頭接口和最大CCD尺寸鏡頭接口要與相機(jī)接口匹配安裝或可通

7、過(guò)外加轉(zhuǎn)換口匹配安裝即可；鏡頭可支持的最大CCD尺寸應(yīng)大于等于選配相機(jī)CCD芯片尺寸。b) 選擇鏡頭焦距鏡頭焦距決定視角范圍，根據(jù)所需要視角的大小選擇鏡頭焦距。現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)的圖像傳感器有CCD和COMS兩種。CCD (Charge Coupled Device)感光耦合元件為數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的解析度，也代表著這臺(tái)數(shù)位相機(jī)的 CCD 上有多少感光元件。 CCD的主要材質(zhì)是硅晶半導(dǎo)體，通過(guò)光電效應(yīng)，由感光元件表面感應(yīng)來(lái)源光線，從而轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存電荷的能力。CCD 元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能

8、還原 所有CCD上感光元件產(chǎn)生的信號(hào)，并構(gòu)成了一幅完整的畫面。CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)為互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，其外形與CCD無(wú)異。CMOS的材質(zhì)主要是利用硅和鍺兩種元素做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電）和 P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理晶片紀(jì)錄和解讀成影像。在處理采集數(shù)據(jù)上，CCD與COMS的區(qū)別是：CCD 每曝光一次，自快門關(guān)閉或是內(nèi)部時(shí)脈自動(dòng)斷線（電子快門）后，即進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素的電荷信號(hào)依序傳入緩沖器（電荷儲(chǔ)存器）中，由底端的線路導(dǎo)引輸出至 CCD 旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián) ADC（類比數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）輸出；相對(duì)地，在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。在結(jié)構(gòu)上，CCD的特色在于充分保持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過(guò)每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持信號(hào)的完整性；CMOS的制造較簡(jiǎn)單，沒(méi)有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的信號(hào)。在成像效果上，CCD與COMS的比較如表1所示：表1