成像过程

通过信号处理和成像系统等光学系统将影像聚焦在成像元件上、成像存储到存储介质当中的过程

成像过程（imaging process）是指通过信号处理和成像系统等光学系统将影像聚焦在成像元件上，成像存储到存储介质当中的过程。

扫描电镜成像过程

成像原理

扫描电镜的成像原理(如图1所示)。在收集板电场的作用下，从试样表面所发出的电子信息通过闪烁晶体后转换为光子，光子通过光导管进入光电倍增管中被放大并转换为信号电流，再通过电信号放大器的放大后转换成信号电压，送到信号处理和成像系统，从而完成了成像信息的电子学过程。

成像过程

扫描电镜的成像过程是通过信号处理和成像系统来完成。

1．电子束的聚集

在真空状态下加热钨灯丝时会产生电子束，在灯丝外围的阴极和位于相反的阳极之间施加高电压。拉出电子束并缩小到直径为30～50μm的交叉点，电子束被阳极加速，再连续被第一、第二聚光镜、物镜缩小，以及扫描线圈的作用，形成聚集得很细的电子束(即电子探针，直径为3～10“m)，照射于样品上。电子探针和样品之间互相作用，从试样表层发生各种信号电子，它们用相应的探测器接收，经过放大、处理后，可以获得各种信号的图像。信号不同，所呈现的图像表示样品的性质不同。电子探针和样品相互作用所产生的信号电子有：二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子、阴极发光、吸收电子、透射电子等等(见图2)。

(1)二次电子入射电子受样品的散射与样品的原子进行能量交换，使样品原子的外层电子受激发而逸出样品表面，这些逸出样品表面的电子就叫做二次电子。还有一部分二次电子是背散射电子逸出样品表面时激发的，在成像时形成本底。二次电子逸出样品之前，受到样品本身的散射，能量有损失，它们的能量较低(0～50 eV)，其发射深度为样品表面几纳米到几十纳米的区域。从样品得到的二次电子产率既与样品成分有关，又与样品的表面形貌有更密切的关系，所以它是研究样品表面形貌最佳的工具。通常所说的扫描电子像就是指二次电子像，其分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，特别适用于粗糙表面及断口的形貌观察。

(2)背散射电子(反射电子) 背散射电子是入射电子受到样品中原子核散射而大角度反射回来的电子。它的能量损失较小，能量值接近入射电子的能量。这种电子是入射电子深入到样品内部后被反射回来的，所以它在样品中产生区域较大(约为1/lm)。背散射电子像与样品的原子序数有关，与样品的表面形貌也有一定关系。可以用双探测器获得背散射电子的组分像和形貌像。利用这种电子的衍射信息，还可研究样品的结晶学特性。

(3)X射线入射电子进人样品，如在原子核附近则受核库仑场作用而改变运动方向，同时产生连续X射线，即软X射线。如入射电子打到核外电子上，把原子的内层电子(如K层)打到原子之外，使原子电离，邻近壳层的电子(如L层)填充电离出的电子穴位，同时释放出X射线，该X射线的能量为两个壳层的能量差。各元素原子的各个电子能级能量为确定值，所以此时释放出的x射线叫特征X射线。分析特征X射线的波谱和能谱，就可以研究样品的元素和组成成分。

(4)俄歇电子样品原子中的内层(如K层)电子被入射电子激发时样品发生了弛豫过程，多余的能量除发射特征X射线外，还可以使较外层(如L层)的两个电子相互作用后，一个跳到内层填充空穴，另一个获得能量离开原子成为俄歇电子。俄歇电子是Auger在1925年研究X射线发射光谱时发现的。俄歇电子能量为E—E。～2K L，不同元素的俄歇电子能量有不同的特定数值，分析俄歇电子能谱就可以确定样品组成元素。

(5)阴极荧光有些固体受电子束照射后，价电子被激发到高能级或能带中，被激发的材料同时产生了弛豫发光，这种光称为阴极荧光。其波长是红外光、可见光或紫外光，也可用来作为信号电子。用它可以研究矿物中的发光微粒、发光半导体材料中的晶格缺陷和荧光物质的均匀性等等。

上述可知，用不同的探测器检测出不同的信号电子，可以反映样品的不同性质，如在二次电子探测器的栅网改加上负压(约一30 V)就可以检测背散射电子。一般扫描电镜主要是利用二次电子或背散射电子成像，观察研究表面形貌。其他的信号电子可分析元素、结晶、化学态和电磁性质。

2．扫描和扫描电镜的放大倍数

在镜体内的电子束通路上有偏转线圈(或扫描线圈)，在显示部分的显像管上也有偏转线圈，这些偏转线圈接受来自扫描电源X、y轴(水平、垂直轴)的锯齿波电流。显像管画面上的样品图像在显像管内有相应的电子束定位点，它和样品表面上电子探针的定位点一直保持完全准确的相应关系(同步扫描)。显像管的画面幅度和样品上扫描幅度之比，决定扫描电镜的放大倍数。显像管上画面的幅度是固定的，如果把供应镜体内偏转线圈的偏转电流加以改变，则扫描电镜的放大倍数也要发生变化。

3．扫描电镜图像能立体地逼真反映出样品的凹凸不平的特点

传统相机成像过程

1、镜头把景物影象聚焦在胶片上　成像

2、片上的感光剂随光发生变化

3、片上受光后变化了的感光剂经显影液显影和定影　形成和景物相反或色彩互补的影象

数码相机成像过程

a)光线透过镜头投射到感光元件表层；

b)光线被感光元件表层上滤镜分解成不同的色光；

c)色光被各滤镜相对应的感光单元感知，并产生不同强度的模拟电流信号，再由感光元件的电路将这些信号收集起来；

d)模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号，再由DSP对这些信号进行处理，还原成为数字影象；

e)数字影象再被传输到存储卡上保存起来。

过程简介

对胶片相机而言，景物的反射光线经过镜头的会聚，在胶片上形成潜应影，这个潜影是光和胶片上的乳剂产生化学反应的结果。再经过显影和定影处理就形成了影像。

数码相机是通过光学系统将影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通过A/D转换器将每个像素上光电信号转变成数码信号，再经DSP处理成数码图像，存储到存储介质当中。

光线从镜头进入相机，CCD进行滤色、感光（光电转化），按照一定的排列方式将拍摄物体“分解”成了一个一个的像素点，这些像素点以模拟图像信号的形式转移到“模数转换器”上，转换成数字信号，传送到图像处理器上，处理成真正的图像，之后压缩存储到存储介质中。

分类划分

照相机一般可按其使用技术特征如：画幅大小、取景方式、快门形式、测光方式来分类，也可按照相机的外形和结构来分类。具体分类情况如下：

1、照相机根据其成像介质的不同　可以分为胶片相机与数码照相机以及宝丽来相机。胶片相机主要是指通过镜头成像并应用胶片记录影像的设备。而数码照相机则是应用半导体光电耦合器件和数字存储方法记录影像的摄影设备，有使用方便，照片传输方便，保存方便等特点。宝丽来相机又称一次成像相机，是将影象直接感光在特种像纸上，可在一分钟内看到照片，合适留念照等。

2、按照相机使用的胶片和画幅尺寸　可分为35mm照相机(常称135照相机)、120照相机、110照相机、126照相机、中幅照相机、大幅照相机、APS相机、微型相机等。135照相机使用35mm胶片，其所拍摄的标准画幅为24mm X 36mm，一般每个胶卷可拍照36张或24张。

3、按照相机的外型和结构　可分为平视取景照相机(VIEWFINDER)和单镜头反光照相机（单反相机）。此外还有折叠式照相机、双镜头反光相机、平视测距器相机(RANGFINDER)、转机、座机等等。

4、按照相机的快门形式　可分为镜头快门照相机(又称中心快门照相机)、焦平面快门照相机、程序快门照相机等。

5、按照相机具有的功能和技术特性　可分为自动调焦照相机，电测光手控曝光照相机，电测光自动曝光照相机等。此外还有快门优先式、光圈优先式、程序控制式、双优先式、电动卷片(自动卷片、倒片)照相机，自动对焦(AF)照相机，日期后背照相机，内装闪光灯照相机等。　有时也可按照相机的用途来分，如专业相机和消费类相机（傻瓜相机）、一步成象照相机、立体照相机；有时也可按镜头的特性分为变焦或双焦点照相机。实际上一架现代照相机往往具有多方面的特征，因此应以综合性的方式来定义。

相片成像的整个过程

（1）当使用数码相机拍摄景物时，景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。

（2）当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号。

（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。

（4）经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC，由ADC将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比，这些数值其实也就是图像的数据。

（5）此时这些图像数据还不能直接生成图像，还要输出到DSP（数字信号处理器）中，在DSP中，将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率，然后才会被存储为图像文件。

（6）当完成上述步骤后，图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。

区别

数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数码相机的成像器件主要分为两类：

CCD——英文ChargeCoupleDevice的缩写，中文名称“电荷耦合器件”。

CMOS——英文ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的缩写，中文名称为“互补金属氧化物半导体”。

CCD

1)CCD是目前主流的成像器件，主要分为：

（1）R-G-B原色CCD：这是数码相机上应用的最多的CCD。

（2）C-Y-G-M补色CCD：早些时候尼康部分数码相机使用过这种补色CCD。

（3）R-G-B-E四色CCD：这是索尼最新发布的CCD，它比RGB原色CCD多出一个E（Emerale,翠绿）的颜色。

2）SuperCCD：是日本富士公司的专利技术，中文名称为超级CCD，由CCD演变而成，目前已经发展到第4代。

3）CMOS：作为数码相机成像器件出现的时间并不长，但发展却非常迅速，大有与CCD分庭抗争之势，其基本结构中的像素排列方式与R-G-B原色CCD并没有本质差别。佳能是CMOS阵营的主要支持者。

CCD特点

CCD技术成熟，成像质量好，毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件，但它也有其缺点：

1）耗电量大。早期的数码相机有“电老虎”的“美誉”，主要原因之一便来自CCD。虽然现在采用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率，但CCD依然是数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态，更是无谓地消耗大量的电能。

2）工艺复杂，成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性，因而到目前为止，CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

3）像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点，CCD像素提升无非是通过两个途径：

第一，保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积，在大面积CCD上集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用领域这是不现实的；

第二，缩小感光元件单位面积，在现有水平的CCD面积上集成更多感光元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积，降低CCD整体的灵敏度和动态范围，影响画质。

CMOS特点

CMOS在最近几年的发展速度相当不错，大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的DSLR（单镜头反光数码相机）柯达（Kodak）DCS14n与佳能(Canon)EOS1Ds均是采用CMOS成像。

相比CCD，CMOS有两个最突出的优点：

1）价格低廉，制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产，不象CCD那样要求特殊的生产工艺，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很多限制。

2）耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大，但在感光单元的电路结构上却有很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路，可将光电转换后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出，速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作，所以比CCD更省电。但CMOS同样存在缺点，如果在使用数码相机时成像动作较多，那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变的电流而产生热量，导致杂波并影响画质。

成像元件的基本参数

成像元件是数码相机的核心，因而正确认识它的一些重要的参数是很必要的，这对了解数码相机的基本性能、如何选购数码相机都能带来不少帮助。

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