2019-02-23 00:54:41, 滨小编 滨松光子学商贸(中国)有限公司
自相机诞生开始,因其有着定格时间画面、留住往昔瞬间的梦幻般的功能,成功成为了陪伴人类的重要娱乐工具。从独立的相机形态,到如今可以“柔光照亮你的美”的手机摄像头,它们的设计主要考虑的是如何漂亮地拍摄和记录。
但这绝不是相机的唯一的角色。在FA(工业自动化)、医疗、生命科学、半导体领域,它们还肩负起了观察、检查、分析等任务。相比我们熟悉的普通数码相机(小型相机、单反相机等),这些特殊相机的主要目的,是根据拍摄的图像进行测量和分析,或在普通数码相机无法拍摄的区域进行观察和观测。对精度和性能有着更高的要求。
相机大致的种类和特征
在选择家用的数码相机时,往往也需要根据拍摄需求、成像偏好等,去研究一番参数。工业和研究用相机则更是如此了。那么到底在选择时要注意一些什么项目?基本思路又是什么?接下来就由小编带领着大家去仔细了解关于工业/科研相机选择的基础知识吧!黑喂狗~
Point 1 : 观察对象
知道自己到底要观察什么?
第一点就是要了解自己的拍摄对象。在使用相机时,需根据拍摄对象的大小和拍摄范围确定视野,再选择与之相符的光学系统(镜头等)。
与普通的数码相机不同,工业和研究用相机的光学系统大多没有标准配置,而是需要根据观察对象和视野进行个性化选择。根据观察物体的大小不同,使用的光学系统也不同。
常见的光学系统和视野/特征汇总
工业和研究用相机的镜头接口多数为C型接口。一般情况下,显微镜需要通过C型接口适配器连接相机。使用C型接口的镜头则可以直接连接相机,若要使用C型接口以外的普通数码单反相机镜头,则需要在镜头上先连接C型接口转换器,再与相机连接。
小对象拍摄:小鼠鼠脑冠状面神经元精细双色图(
所用相机:滨松 sCMOS相机ORCA-Flash 4.0 (C11440-22CU)
成像方法:宽场荧光成像(如免疫荧光,荧光蛋白成像等),其他
显微镜物镜:XLUMPLFLN 20XW,NA 1.0
拍摄条件:绿色通道相机曝光时间30 ms,红色通道相机曝光时间5 ms
大对象拍摄:红外相机对夜间一千米以外的建筑物的拍摄
相机:滨松InGaAs相机 C14041-10U
拍摄较大对象时,根据视野(拍摄范围)和对象与相机的距离选择镜头。此外,在数厘米左右的狭小视野下拍摄时,比较建议使用转为特写拍摄而设计的微距镜头。
Point 2 : 感光度
观察对象的亮度
和普通相机不同,工业和科研用相机很多时候需要去捕捉一些发光极微弱的物体。观察对象是否够亮是我们首先必须清楚的。而亮度是我们在选择相机,以及与相机组合使用的镜头或照明时候必须考虑的因素,它涉及到我们对相机感光度的选择。
如果拍摄对象不够亮,就需要使用照明或者高感光度相机,以保证亮度。
如果使用通光量较大的镜头(F值较小的镜头)仍无法拍摄到足够亮的图像,则应该考虑使用照明。但是,想要得到清晰明亮的图像,不仅需要根据目的设置照明,还需要专业知识。例如,检测(观察)产品表面的损伤时,需要详细地设置照明强度、种类、个数、角度等内容。
此外,不能使用照明时(不可对拍摄对象照射强光或拍摄对象物自身发光时),需要选择高感光度相机。
高感光度相机根据可拍摄亮度的范围和拍摄条件等,备有多种型号,而根据图像的获取方法,大致可分为2类:
· 延长曝光时间,得到光线充足的图像:“积累型高感光度相机”
· 利用相机内部的光(信号)倍增体制,可得到足够亮的图像:“倍增型高感光度相机”
然而,高感光度相机由于“信号积累”和“光(电子)倍增”的原因,图像中的噪点会对画质产生很大的影响。高感光度相机出现噪点的很大原因是暗电流(即使入射光完全没有照到成像设备上,也会在图像上显示为亮点的噪点。)暗电流受成像设备温度的影响,温度越高,电流越大。因此,多数高感光度相机具有制冷功能,通过冷却成像设备,减少噪点。
大多采用帕尔贴元件进行冷却,散热方式有风冷和水冷两种。选择高感光度相机时,还需要根据使用环境选择冷却方法。例如,采用风冷方式时,要考虑风扇的振动是否会造成影响,而采用水冷方式时,要考虑是否可以使用冷却水循环装置等辅助装置。
Point 3 : 波长
人眼不可见的光?
我们都知道,光具有波的性质,可以根据波长进行分类。在人眼可见的“可见光”范围内,波长范围极其有限。
波长比可见光短的光有紫外线、X射线,γ射线;比可见光长的有红外线、微波和无线电波等。这些人眼不可见的光(波长范围)称为“不可见光”。
一些相机正式利用这些“不可见光”的性质,将我们肉眼看不见的拍摄对象呈现出来。
比如说,下面两张照片分别是用市售的小型数码相机和远红外相机拍摄的。通过数码相机拍摄的图像,可以看到包装袋的颜色和形状,但无法确认里面是否有糖果。而通过远红外相机拍摄的图像,可以看到包装袋的轮廓并确认其内部有糖果。
Point 4 : 读出速度
“捕捉”速度有多快?
工业和科研相机很多时候的拍摄对象是运动的,如生产线上的产品等。这时候需要拍摄的是动画,而不是静态图像。
“翻页动画”的游戏大家都有玩儿过吧。快速翻动书页,原本静止的连串图像就会动起来。其实,动画也就是静态图像的集合,是将多张静态图像按次序展示,人眼就会识别为运动的图像。
图源:huaban.com
而相同时间内展示的图像数量不同,运动的流畅度和获得的信息量也不同。例如,1秒钟依次展示10张和100张静态图像时,100张图像看起来会更加流畅,信息量也是10张的10倍。也就是说,相机如果在1秒钟内拍摄的图像张数越多,就可更详细和准确地捕捉对象在短时间内的运动。
工业和研究用相机中,动画的拍摄速度称为“读出速度”或“帧频”,表示1秒内拍摄的静态图像张数(帧/秒,fps)。普通的电视播放或视频发布采用人眼看起来正常运动的“读出速度”(此时为播放速度),一般为30~60帧/秒。
我们在选择相机时,应注意“读出速度”(帧频),选择与拍摄对象的运动(速度)相对应的相机。
帧频的含义
斑马鱼血液流动之荧光与明场DIC同步高速成像(
所用相机:滨松sCMOS相机ORCA-Flash 4.0 LT(C11440-42U)
辅助系统: 滨松W-View GEMINI双色分光器
成像方法:荧光&明场高速同步成像
显微镜物镜:UPlanFL N 20x NA 0.50
拍摄条件:荧光曝光时间2.5 ms;明场曝光时间2.5 ms
Point 5 : 分辨率
可以观察多细?
平时大家总会说到“画质”这个概念,而且一般都认为它就等于分辨率,分辨率越高的相机画质自然越好。其实,并不是选择高分辨率(即像素数多)的相机就万无一失,像素尺寸也非常重要。
像素尺寸是指构成图像的单个像素的大小,会影响到相机的感光度。单个像素越大,捕捉到的光越多,感光度越高。因此,像素数越多、像素尺寸越大的相机其画质越高。但需要注意,两者相乘(像素数X像素尺寸)后成像设备的尺寸也会变大。因为元件尺寸(=拍摄面积)越大,可使用的镜头越受限制。选择相机时,必须考虑像素数、像素尺寸与元件尺寸这三者的平衡。
下面我们就逐个来明确像素数、像素尺寸和元件尺寸的含义。
1
像素数的含义
数码相机的图像为很多个点(方块)的集合,每个方块称为像素(pixel)。像素数(pixel数)越多,拍摄的图像越精细。
2
像素尺寸的含义
像素尺寸是指单个方块的大小,方块越大,捕捉到的光越多,因此感光度高,可以捕捉到微弱的光线。
3
元件尺寸的含义
元件尺寸是指对光进行检测的拍摄面整体的大小,按像素数(分辨率)X像素尺寸计算。因此,如果像素数相同,则像素尺寸越大,元件尺寸越大,图像也更清晰。
可能有些小伙伴心里还有这样的疑问,近年来,手机内置相机的性能快速提升,特别是高分辨率机型已随处可见。
如果光看分辨率,这些机型的相机比工业用相机高了许多。但这里我们还是着眼于像素尺寸,对感光度和画质的区别进行了以下比较。
拍摄设备传感器比较:
拍摄图像比较(相同条件下):
我们可以看到,手机内置相机拍摄的图像不仅光线暗,而且在放大并进行亮度修正后,也无法得到足够的分辨率。
Point 6 : 使用环境
如何最大限度发挥相机性能?
如果觉得选择的相机性能符合使用目的,就可以万事大吉,那小伙伴你就too young too simple了。
图源:toutiao.com
受制于使用环境,相机也有可能无法充分发挥其性能。为了完美成像,根据所用相机的适用条件来对周边环境进行最佳调整,是非常必要的。一般来讲,我们主要需关注的有环境的温度、湿度、振动状况、洁净程度等因素。
此外,各国的安全规格和标准,也是选择相机选择时需要考虑的重要因素。以下为多国的标准示例,可供大家参考:
CE(欧洲)
ErP(欧洲)
RoHS(欧洲、中国)
PSE(日本)
KCC(韩国)
为大家介绍了这么多,下面我们来做一个简单的总结:
不过,以上这些参数项目在相机选择时候孰轻孰重该如何判断呢?接下来,小编将主要展现一些工业当中常见的应用,为大家提供在这些应用下相机选择时需要考虑的感光度、波长、速度、分辨率中的哪些项目。
(◎非常重要、○重要、△基本不用考虑)
除了相机,如果小伙伴们还涉及显微镜、镜头等光学系统以及相机辅助装置、设备选择,也可以咨询我们滨松的工程师们。相信每天都和成像系统愉快玩耍的他们,一定会为你提供更多、专业的建议和帮助哒!
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