现代相机技术简介
介绍
相机是不可思议的工具，可让我们捕捉和了解周围的可见世界。当今生产的大多数手机都带有相机，这意味着比以往任何时候都更多的人开始熟悉相机软件并拍照。但是，相机的最大应用之一是用于科学成像，以便为科学研究拍摄图像。对于这些应用，我们需要精心制造的科学相机。
什么是光？
科学相机最重要的方面是定量的能力，因为它可以测量特定数量的事物。在这种情况下，相机测量光，最基本的可测量光单位是光子。
如图1所示，光子是构成所有类型电磁辐射的粒子，包括光和无线电波。该光谱最重要的部分是可见光，可见光范围为380-750纳米，如图1插入所示。
图1：电磁频谱。该光谱表明从不同波长和频率的光子产生什么形式的辐射，较高频率的光子具有较高的能量和较低的波长，反之亦然。随着波长的增加/频率的降低/能量的降低，频谱包括伽马射线（希腊字gamma：γ），X射线，紫外线（UV），可见光（插入中显示的更详细的光谱），红外（IR），微波，标准无线电波（包括调频FM和调幅AM商业无线电频率）和长无线电波。波长以米为单位的10表示，频率以Hz为单位的10表示。对于可见光谱，不同的波长会产生不同的颜色，包括紫色（V，380-450），蓝色（B，450 495），绿色（G，495-570），黄色（Y，570-590），橙色（O， 590-620），红色（R，620-750），所有波长均为纳米（nm）。图片来自维基共享资源。
由于显微镜通常使用灯或激光形式的可见光，因此科学相机本质上是一种需要从光谱的可见光部分（380750 nm）中检测和计数光子的设备，但某些应用也可以受益于紫外和红外区域的检测。为此，科学相机使用传感器。
传感器
科学相机的传感器需要能够检测和计数光子，然后将其转换为电信号。 这涉及多个步骤，其中第一步涉及检测光子。 科学相机使用光电探测器，其中将撞击光电探测器的光子转换为等效数量的电子。 这些光电探测器通常由非常薄的硅层制成。 当来自光源的光子撞击该层时，它们将转换为电子。 这种传感器的布局如图2所示。
图2：相机传感器的横截面。 光线首先撞击微透镜（图像顶部），微透镜将光聚焦到硅像素（图像底部）上。 该光路外部的传感器区域充满了集成电子设备和布线。
像素
然而，只有一个硅块意味着光子着陆时不清楚来自何处，只有知道它们着陆了。 通过制作一个由许多微小的硅正方形组成的网格，可以检测和定位光子。 这些微小的正方形称为像素，并且技术已经发展到可以将数百万个正方形安装到传感器上。 当相机宣称具有1百万像素时，这意味着传感器是一个一百万像素的阵列。
图3探索了这个概念。图3：100万像素，可视化。 A）一个10×10的大正方形网格，其中每个大正方形包含一个10×10的小正方形网格，每个小正方形包含一个10×10的小正方形网格。结果是100x100x100平方，即一百万。 B）A的大正方形的放大示例，其中包含10,000像素。 C）B中小方块的放大示例，其中包含100个像素（绿色和蓝色）。在A中看到的整个网格构成一个1百万像素，但为了更好地欣赏其大小，其放大了。
为了将更多的像素安装到传感器上，像素已经变得非常小，但是由于有数百万个像素，因此传感器相比仍然很大。Prime BSI相机具有6.5µm正方形像素（面积为42.25µm2），排列为2048x 2048像素（420万像素）阵列，传感器尺寸为13.3 x 13.3 mm（面积177 mm2或1.77 cm2）。对角线为18.8毫米。
缩小像素可以使传感器容纳更多像素，但是如果像素变得太小，它们将无法检测到尽可能多的光子，这引入了相机设计时在分辨率和灵敏度之间折衷的概念。
另外，如果传感器太大或包含太多像素，它将大大增加处理输出信息所需的计算能力，这会减慢图像采集速度。将需要大量的信息存储，并且随着研究人员在持续数月/数年的实验中拍摄数千张图像，随着存储空间的增加，具有高分辨率的传感器将很快成为一个问题。由于这些原因，在相机设计中会仔细优化传感器的整体大小，像素大小和像素数量。
生成图像
当暴露在光线下时，传感器的每个像素都会检测到有多少光子与之接触。这将给出了一个值映射，其中每个像素都检测到一定数量的光子。这种测量阵列称为位图，它是用相机拍摄的所有科学图像的基础，如图4所示。图像的位图随附有元数据，元数据包含有关图像的所有其他信息，例如拍摄时间，相机设置，成像软件设置以及显微镜硬件信息。
以下是使用科学相机从光生成图像所涉及的过程：
1.撞击光电探测器的光子被转换为电子（称为光电子）。
- 这种转换的效率称为量子效率（QE）。 QE为50％时，只有一半的光子将转换为电子，并且信息将丢失。
2.产生的电子存储在每个像素的阱中，从而给出每个像素的电子数量
- 阱中可以存储的最大电子数量控制着传感器的动态范围。可以将其描述为阱深或位深。
3.每个阱的电子数通过模数转换器（ADC）从电压转换为数字信号
- 这种转换率称为增益。增益为1.5时，会将100个电子转换为150个灰度级。由0个电子产生的灰度级称为偏移。
4.这些数字信号被称为灰度级，是任意灰度（单色）颜色
- 1或100的灰度是什么样的？它取决于阱中的电子数和动态范围。如果有100个电子，则100个灰度级将是亮白色。如果有10,000个电子，则100个灰度级将非常暗。
5.灰度图显示在计算机监视器上
- 生成的图像取决于软件设置，例如亮度，对比度等。
这些步骤如图4所示。
图4：用科学相机拍摄图像的过程。光子撞击传感器，传感器是一个硅光电探测器，被分成许多正方形的网格，称为像素。像素从光子的能量中产生光电子，其产生效率称为量子效率。这些电子进入每个像素的阱并被计数。然后，它们由模数转换器（ADC）转换为灰度级。这些灰度级然后显示在计算机监视器上，图像外观由软件中的显示设置（对比度，亮度等）控制。
这些灰度级根据存储在传感器像素中的电子数量而变化。它也与两个重要的成像概念有关，即偏移和增益。偏移量是没有电子的灰度值，即基本能级。增益是电子到灰度级的转换因子，例如，可以将60个电子转换为60灰度级（1x增益）或140灰度级（2.3x增益）。灰度级和显示屏上显示的图像之间的其他关系是由于成像软件的显示设置所致。这些显示设置会影响灰度级的实际外观，否则它们是任意的（140个灰度级是什么样，它是最白的还是最黑的像素？）并且取决于传感器上其他值的动态范围。科学照相机成像的主要阶段在所有现代照相机技术中都是一致的，但是有几种不同的原型。
相机传感器类型
相机传感器是相机的核心，并且多年来经历了许多不同的迭代。研究人员一直在寻找更好的传感器，以改善他们的图像，带来更好的分辨率，灵敏度，视野和速度。相机的三种主要传感器技术是电荷耦合器件（CCD），电子倍增CCD（EMCCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS），所有这些技术将在单独的文档中进行讨论。
总结：
科学相机是任何成像系统的重要组成部分。这些相机旨在定量测量有多少光子照射到相机传感器的哪个部分。光子产生电子（光电子），该电子存储在传感器像素中并转换为数字信号，并显示为图像。此过程在每个阶段都经过优化，以便根据接收到的信号产生最佳的图像。请继续阅读以获取有关三种主要类型的传感器CCD，EMCCD和CMOS的更多信息。
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