数码成像技术综述

    1　引　言

    图像信息是信息工程学科领域中信息包含量大,内容丰富的一个分支,据生物学家的统计,人的一生所获得的知识与信息中,80%来自视觉图像。在成像平面上用CCD/CMOS等光电面阵器件,接受图像信息就成为数码成像系统,每一CCD/CMOS芯片由数十万、数百万,甚至上千万的像素组成,数码相机将图像光强分布和色度分布转化为以空间像素单位、传输图像、图像输出,于是形成了系列数码成像技术和相应产品。数码相机是数码成像系列产品中的关键,为拍摄远距和近距图像,而发展望远数码相机功能或是显微镜用数码目镜;为数码输出,发展底片扫描仪、打印输出,数码扩印系统等等。

    现就科学实验和工程研究中有关数码技术用的一些问题及有关参数进行阐述与研讨。

    2　数码相机[1～3]

    2.1　CCD和CMOS[4]

    数码相机感光器件主要有CCD和CMOS两类,CCD数码相机经历了较长的发展时期,目前在成像质量,成像分辨力方面优于CMOS,因此应用CCD的数码相机占大多数,而CMOS数码相机在产品价格,耗电量等方面又有优势,近年来CMOS传感器逐渐成熟,从高端到普及型的数码相机中的应用与日俱增。

    对于CCD和CMOS像素级别皆在飞速提高,2004年底,500万像素数码相机成为主流相机,800万像素将会成为今后高端数码相机的标准指标。高像素可以保证有足够的像素用于数码放大,300万像素的低端产品,对于小幅面的5英寸～7英寸照片已可以,但是在大幅面(A3纸以上)高端应用,即使500万像素亦往往不足。索尼公司的最新的四色CCD技术很受人关注,非常接近人眼的视觉特征。

    2.2　分辨力

    数码相机的分辨力与像素有密切关系,而分辨力可用来评估数码相机的拍照质量,数码相机的最高分辨力与其像素相对应,而系统的分辨力既与像素有关又与光学镜头质量有关,如Ro与Rd分别表示为光学分辨力长度和光电器件分辨长度,对光学分辨长度而言,如不存在光学像差,则衍射极限决定光学分辨力,光学分辨力长度Ro可为:

Ro=1.854K(f/D)=1.854KF

    式中f、D、F分别为透镜焦距、口径、相对口径,对光电器件而言,分辨长度Rd等于像素有效感光宽度d,即Rd=d。

    因此系统的等效分辨长度

    图1表示了三种分辨长度与KF/d之间关系,图中可见当KF/d较小时,光电器件有效感光长度限制了系统的分辨力,而当KF/d增大时,光学系统将成为限制系统分辨力的主要因素。

    2.3　镜头性能

    数码相机的光学镜头的孔径是镜头的重要参数,通常用相对孔径的倒数,光圈数F来表示,如F1.2,F1.4,F2.0……F8等,F数越小,表示镜头的相对孔径越大。数码相机的镜头大多为变焦镜头,一般为2倍～4倍之间,近来的发展,高的可达8倍～12倍。