光学相机是利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，探测质量通常与多个因素有关。

一、相机结构

一部完整的相机有多个结构组成，包括电源连接器、电路控制器、感光元件、光学镜头三大部分。其中镜头用于控制相机拍摄光通量，直接决定成像效果，图像传感器是一种将光信号转换为电信号的光电转换器件，光信号通过感光芯片转变为电信号，再由模拟信号处理将电信号传送至电路控制器重新转变为数字信号驱动电源点亮光芯片实现图像显示与保存。
由上可知，影响相机成像质量的因素主要有感光元件、电路控制器和光学镜头。

1、感光元件

常见的相机感光元件有PMT、CCD和CMOS，PMT即光电倍增管，CCD即charge coupled device，电荷耦合元件，CMOS即complementary Metal Oxiade Semiconductor，互补金属氧化物半导体。CCD相机是一种能够将光影信号转化为数字信号的图像传感器。COMS相机是一种电压控制的放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。CCD传感器是一种电荷传输装置，通过逐行读取像素点的光信号，并将信号转化为电荷信号存储在暂存器中，最后再将电荷转换为数字信号输出。CCD传感器的优点是低噪声、高灵敏度、高动态范围，适用于对图像质量要求较高的场合。
CMOS传感器采用的是并行读取像素点的光信号，并将信号转化为数字信号输出。CMOS传感器的优点是低功耗、成本低、集成度高，适用于对成本和功耗有限制的场合。CCD在性能方面仍然要优于CMOS。但随着CMOS图像传感器技术的不断进步，在其本身具备的集成性、低功耗、低成本的优势基础上，噪声与敏感度方面有了很大的提升，与CDD之间的距离在不断缩小。

2、控制电路

控制电路是用于光电转换后处理数字信号工具，可以通过对电路编码实现目标位置像素点亮和熄灭，将光数字信号转换为模拟信号呈现出光学图像，需要在电路中编码协议控制相机硬件，完成相机快门、散热、接口等固件的指令下发，维持相机正常工作。其中CCD相机重要通过面阵指令实现面曝光，CMOS相机通过逐行曝光采集信号，因此在快速动态成像模式下，CMOS相机相比CCD相机的成像质量略差。

3、光学镜头

光学镜头是相机成像的关键组成部分，镜头的不同参数直接决定相机成像质量。通过改变镜头F数可以控制光圈大小，影响拍摄明暗。

二、量化相机测常见参数

如何评价光学相机的好坏，或如何挑选一款满足自己需求的相机？除了尺寸、制冷方式等常规因素外，EMVA（EMVA，European machine vision Association，欧洲机器视觉协会））推出的1288行业标准也提供了部分参数介绍作为参考，该标准明确表述了机器视觉性能评估要求，可用于评估数字相机和视觉系统的性能通用参数，包括灵敏度、分辨率、帧率、量子效率、暗电流、饱和容量、动态范围、信噪比、位深、空间噪声、时间噪声、驱动电压、鲁棒性、最大增益、曝光时间、接口等。

1、信噪比与灵敏度

相机信噪比定义为相机探测信号时瞬时信号中有效信号与无效噪声的比值，用于表征相机的相机的灵敏度通常用于表征相机的最小光信号探测能力，由芯片检测材料、像元大小和相机噪声共同决定，其中相机噪声包含了暗电流噪声和散粒噪声。

\( 信噪比=\frac{信号}{噪声}=\frac{光子数×量子效率}{\sqrt{}{散粒噪声^2}+{读出噪声^2}+{其他噪声^2}} \)

2、位深

相机的位深用于表征图像的层析丰富度，也称为灰度值，单位为bit，定义了灰度从暗到亮的灰阶数，如8bit相机的相机从暗到亮分为28个通道，高频信息通常需要更多的位数存储，因此灰度值越大，可以表现出图像的细节越连续，层次越丰富。

3、分辨率

相机分辨率主要用于表征探测器对于物体微小细节的探测能力，通过芯片像素大小和数量进行量化，对于一个面阵相机，其水平方向和垂直方向像素数相乘即为相机的分辨率。例如，相机的分辨率是1280像素(水平方向) ×1024像素(垂直方向)，表示每行的像元数量是1280，有1024行像元，此相机的分辨率约130万像素。对相同视场成像时，分辨率越高的相机对细节的展现越明显。

4、帧率与曝光时间

帧率用于表征相机成像速度，定义为相机每秒记录的图像帧数，即相机在1秒内拍摄的连续画面帧数。曝光时间用于表征相机像元的最小光照时间，帧率与曝光时间可以由驱动信号设置同步触发。

5、量子效率

量子效率（QE）用于描述感光芯片光电转换的效率，量子效率越高，则光电转换越灵敏，探测效率越高，与半导体材料对光信号的吸收效率和波长相关。

光在到达感光芯片后会通过金属层和材料层，金属层用于控制电信号，材料层用于感知光信息，光在材料层的穿透性与波长息息相关，对于可见光相机，通常采用InAns作为感光材料，500-600 nm的可见光刚好可以穿透材料产生丰富光电子，检测效率最高，当波长短于500 nm时，光子在到达检测区前被金属层吸收，波长大于700 nm时，光子穿过检测区域无法生成光电子，因此相机展现出的量子效率曲线中出现峰值和谷值。因此光的照射方式可能引起量子效率损失。

当正面入射时，光信号穿过金属层效率低，产生光电子效率低，量子效率损失严重。为了解决这一问题，更多入射方式被提出，如背照式芯片技术和微阵列技术，量子效率最高可达95%，且解决了材料对特定波长的光吸收问题，探测波长范围可覆盖紫外至红外波段。背照式芯片技术大大提高了相机灵敏度，也有效地展宽了半导体芯片的信号检测范围(紫外和近红外)， 相对于前照式芯片，在使用显微成像光学系统时，其对灵敏度的提升远超芯片标称的效率值。

晶萃光学JCOPTIX提供多种用于光探测分析的仪器设备，如万兆网相机、GigE相机、USB3.0相机、近红外相机等，GigE相机有170万-2600万像素可选、帧率可实现38-662FPS可调，相机出厂自带C/C++，LabVIEW驱动，便于功能拓展。近红外相机采用RJ45千兆以太网数据接口，有30-130万像素可选，支持Windows、Linux和ARM Linux系统，适用与荧光成像、激光光斑跟踪成像、半导体检测、太阳能电池检测、高光谱成像等。

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