CMOS相機(jī)助力用成本效益高的方式來執(zhí)行高速成像及其新興應(yīng)用

瀏覽次數(shù)：153　發(fā)布日期：2025-12-1　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

CMOS相機(jī)應(yīng)對(duì)速度挑戰(zhàn)基于CMOS圖像傳感器的攝像機(jī)
提供了一個(gè)新的成本效益高的方式來執(zhí)行高速成像
（文獻(xiàn)部分內(nèi)容摘抄）

CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步使新型高速攝像機(jī)能夠捕捉以前無法用傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)成像的事件。芯片設(shè)計(jì)和制造的改進(jìn)使CMOS相機(jī)成為一種經(jīng)濟(jì)高效的高性能解決方案，用于成像各種瞬態(tài)現(xiàn)象，從汽車碰撞試驗(yàn)和彈道學(xué)，到肌肉收縮和人體運(yùn)動(dòng)。然而，對(duì)于幀速率超過幾千幀/秒(fps)的極快成像，仍然需要使用CCD傳感器的專用機(jī)械或圖像強(qiáng)化相機(jī)。

CMOS和CCD特性

CMOS芯片在高速成像方面比傳統(tǒng)的CCD芯片有幾個(gè)固有的優(yōu)勢。首先，高速成像要求高幀率。這需要較短的曝光時(shí)間和強(qiáng)光照，這可能導(dǎo)致CCD傳感器圖像的開花(過度曝光區(qū)域)和污損(不想要的條紋)。相比之下，CMOS傳感器響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍寬，這意味著花斑和污損通常不成問題。

在最近半導(dǎo)體制造的改進(jìn)之前，CMOS傳感器受限于遠(yuǎn)低于CCD的靈敏度。但現(xiàn)在，更高的像素填充系數(shù)，加上聚光微透鏡的使用，使得實(shí)現(xiàn)類似的靈敏度成為可能。此外，CMOS傳感器較高的暗電流噪聲)在高速應(yīng)用中不是一個(gè)問題，因?yàn)閑xpo-sure時(shí)間太短。
毫無疑問，CMOS圖像傳感器最重要的優(yōu)勢在于其高度并行的結(jié)構(gòu)。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)非常快速的讀出，可以達(dá)到每秒幾千幀(見下表)。由于像素?cái)?shù)據(jù)是通過串行方案輸出的，CCD圖像傳感器不可能達(dá)到CMOS相機(jī)的高讀出率。

CMOS攝像機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是使用單電壓電源，功耗低，這對(duì)于高數(shù)據(jù)速率非常重要。缺點(diǎn)是像素增益的微小差異導(dǎo)致CMOS芯片的固定模式噪聲較高。然而，這可以在以后，當(dāng)圖像被記錄時(shí)被糾正。

CMOS的現(xiàn)狀

由于缺乏面向大眾的市場應(yīng)用，市場上缺乏高速CMOS圖像傳感器芯片。作為一個(gè)因此，大多數(shù)高速相機(jī)制造商指定并訂購自己的CMOS芯片。然而，現(xiàn)成的CMOS圖像傳感器可從Micron(Photobit)和Cypress(FillFactory)獲得。

新興應(yīng)用

復(fù)雜的CMOS相機(jī)系統(tǒng)最受歡迎的應(yīng)用是什么?他從扭轉(zhuǎn)角度看，除了科學(xué)研究外，汽車工業(yè)還使用高速攝像機(jī)來分析汽車碰撞時(shí)的變形。因此，它在提高高速成像方面一直是一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力在碰撞測試中，G-穩(wěn)定攝像機(jī)系統(tǒng)安裝在車內(nèi)，外部攝像機(jī)也記錄碰撞順序。為了得到精確的測量結(jié)果，攝像機(jī)的觸發(fā)精度至關(guān)重要。

另一個(gè)日益重要的應(yīng)用領(lǐng)域是生命科學(xué)，高速攝像機(jī)可以幫助分析快速的生物事件，例如肌肉收縮。在這一領(lǐng)域，靈敏度是一個(gè)重要因素，因?yàn)樵S多應(yīng)用需要通過顯微鏡成像。

在電視和廣播中，高速系統(tǒng)常用于超慢動(dòng)作體育、電影或廣告中的序列。許多讀者都熟悉以慢動(dòng)作展示飲料倒入杯中的廣告視頻序列。

在工業(yè)領(lǐng)域，高速系統(tǒng)可以幫助進(jìn)行材料測試--在材料開始破裂的瞬間成像，或者調(diào)查肉眼不可見的生產(chǎn)機(jī)器中的故障。流體和氣體的流動(dòng)也可以通過高幀率成像技術(shù)(如粒子圖像測速)進(jìn)行可視化。PIV系統(tǒng)用于研究許多現(xiàn)象包括發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴射過程、水波發(fā)展地球化學(xué)研究以及風(fēng)洞中的空氣動(dòng)力學(xué)。

CMOS相機(jī)是如此多功能，只有非常高速的應(yīng)用是超出他們的能力范圍�；鸹ǚ治�、空間碎片彈道學(xué)和磁場效應(yīng)等應(yīng)用可能需要10 000 fps的頻率，而今天，這只能通過提供3-5倍頻率的特殊機(jī)械解決方案來實(shí)現(xiàn)。然而，半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步意味著CMOS相機(jī)的性能在未來可能會(huì)更快。這將為更多事件的高質(zhì)量、低成本可視化打開大門。

德國Excelitas PCO公司CCD和CMOS相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、弱光成像的優(yōu)點(diǎn)，將研究實(shí)驗(yàn)過程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。

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