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彩色工业相机工作原理以及刀具检测显微镜上工业相机的测量应用

发布时间:2015-09-06
      
工业相机电荷耦合器件(CCD)原理简单。我们可以把它想象成一个没有盖子的记忆芯片。撞击记忆单元的光子在这些单元中产生电子(光电效应),因此光子的数目与电子的数目互成比例。然而光子的波长并没有被转换为电子。因此CCD芯片都可以被称为色盲。下面我们将介绍彩色相机是如何在CCD芯片无法分辨颜色的情况下工作的。


原理 

 从单色相机开始

CCD原理并不复杂。我们可以把它想象成一个顶部被打开的记忆芯片。因此光束可以射到记忆单元中。根据“光电效应”,这些光束在记忆单元中产生负电荷(右图中右上部分)。曝光后,这些电荷被读出,进而被相机处理单元进行预处理。从相机处理单元输出的就是一幅数字图像。如果相机要求以模拟格式输出视频,我们就必须对该数字原始图像进行相应转换。然而这个问题与本文所讨论的“彩色相机如何工作”并无关联。我们只需考虑数字格式的原始图像。 


1.JPG

原理


3CCD彩色相机

你可以说CCD芯片将光子转换为电子,在这一过程当中,光子数目与电子数目互成比例。光子还有另外一个特征值——波长。但这条信息却没有被转换为电子。因此CCD芯片都可以被称为色盲。


如果相机内的图像处理单元被要求在每个像素上都输出红、绿和蓝三种颜色的值,我们必须给这三种基色中的每种颜色都配置一个CCD。每个CCD都只得到过滤后的光子:一个CCD用于红光,一个用于绿光,一个用于蓝光。我们用三棱镜将这三种颜色分离开来。

这个浅显易懂的解决方法在实际应用中可以得到非常理想的效果。但重要的缺点是价格昂贵。因此人们也早已开始研发基于一个CCD的设计理念彩色相机。下节将介绍最常用的一种。、

2.JPG

原理


CCD彩色相机
如果出于价格因素考虑,只能使用一个CCD芯片,那么我们就得把彩色滤光片象马赛克一样分布在CCD所有的像素上。这一概念也被称为马赛克滤光片或拜尔滤光片(最初由拜尔先生发明)。这样一来,每个像素只能产生红、绿或蓝三色当中一种颜色的值。但是在输出时,所有像素都应该有这三种颜色的信息。我们应该如何找回这些丢失的值呢?


答案是由相机处理单元执行的空间色彩插值法。以右图中左下角的红色像素为例,我们需要的是丢失的绿色与蓝色的值。而插值法通过分析与这个红色像素相邻的像素可以估算出这两个值。在本例中,我们发现绿色像素含有大量电荷,但蓝色像素电荷数为零。因此我们这个红色像素实际上是黄色的。您可以在色彩插值一节查阅到详细的相关信息。如果对3CCD相机生成的3幅数字原始图像与单CCD相机生成的3幅数字始图像进行比较,我们会发现它们看起来完全相同。但这仅仅对我们这个简化的例子是成立的。在实际应用中,即使最好的彩色空间插值法也会产生低通效应。因此,单CCD相机生成的图像要比3CCD相机或黑白相机的图像模糊,而且对很薄或光纤类型的图像结构尤其明显。

在刀具测量显微镜中,CCD相机的重要性尤为重要,相机像素和分辨率直接影响着图像画质的清晰度!


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