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彩色工業相機工作原理以及刀具檢測顯微鏡上工業相機的測量應用

發布時間:2015-09-06
      
工業相機電荷耦合器件(CCD)原理簡單。我們可以把它想象成一個沒有蓋子的記憶芯片。撞擊記憶單元的光子在這些單元中產生電子(光電效應),因此光子的數目與電子的數目互成比例。然而光子的波長并沒有被轉換為電子。因此CCD芯片都可以被稱為色盲。下面我們將介紹彩色相機是如何在CCD芯片無法分辨顏色的情況下工作的。


原理 

 從單色相機開始

CCD原理并不復雜。我們可以把它想象成一個頂部被打開的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據“光電效應”,這些光束在記憶單元中產生負電荷(右圖中右上部分)。曝光后,這些電荷被讀出,進而被相機處理單元進行預處理。從相機處理單元輸出的就是一幅數字圖像。如果相機要求以模擬格式輸出視頻,我們就必須對該數字原始圖像進行相應轉換。然而這個問題與本文所討論的“彩色相機如何工作”并無關聯。我們只需考慮數字格式的原始圖像。 


1.JPG

原理


3CCD彩色相機

你可以說CCD芯片將光子轉換為電子,在這一過程當中,光子數目與電子數目互成比例。光子還有另外一個特征值——波長。但這條信息卻沒有被轉換為電子。因此CCD芯片都可以被稱為色盲。


如果相機內的圖像處理單元被要求在每個像素上都輸出紅、綠和藍三種顏色的值,我們必須給這三種基色中的每種顏色都配置一個CCD。每個CCD都只得到過濾后的光子:一個CCD用于紅光,一個用于綠光,一個用于藍光。我們用三棱鏡將這三種顏色分離開來。

這個淺顯易懂的解決方法在實際應用中可以得到非常理想的效果。但重要的缺點是價格昂貴。因此人們也早已開始研發基于一個CCD的設計理念彩色相機。下節將介紹最常用的一種。、

2.JPG

原理


CCD彩色相機
如果出于價格因素考慮,只能使用一個CCD芯片,那么我們就得把彩色濾光片象馬賽克一樣分布在CCD所有的像素上。這一概念也被稱為馬賽克濾光片或拜爾濾光片(最初由拜爾先生發明)。這樣一來,每個像素只能產生紅、綠或藍三色當中一種顏色的值。但是在輸出時,所有像素都應該有這三種顏色的信息。我們應該如何找回這些丟失的值呢?


答案是由相機處理單元執行的空間色彩插值法。以右圖中左下角的紅色像素為例,我們需要的是丟失的綠色與藍色的值。而插值法通過分析與這個紅色像素相鄰的像素可以估算出這兩個值。在本例中,我們發現綠色像素含有大量電荷,但藍色像素電荷數為零。因此我們這個紅色像素實際上是黃色的。您可以在色彩插值一節查閱到詳細的相關信息。如果對3CCD相機生成的3幅數字原始圖像與單CCD相機生成的3幅數字始圖像進行比較,我們會發現它們看起來完全相同。但這僅僅對我們這個簡化的例子是成立的。在實際應用中,即使最好的彩色空間插值法也會產生低通效應。因此,單CCD相機生成的圖像要比3CCD相機或黑白相機的圖像模糊,而且對很薄或光纖類型的圖像結構尤其明顯。

在刀具測量顯微鏡中,CCD相機的重要性尤為重要,相機像素和分辨率直接影響著圖像畫質的清晰度!


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