CCD攝像機(jī)最低照度淺析

d. 致冷ｃｃｄ

雖然ｃｃｄ暗電流噪波或者說熱噪波和固定圖案噪波在常溫下并不重要，但隨著溫度升高，其影響不可忽視。通常溫度升高10℃，暗電流增加一倍。在ｃｃｄ芯片上采用特有的電子冷卻器，可使芯片的工作溫度降低１５℃左右。當(dāng)芯片的溫度超過３５℃時(shí)，這種電子冷卻器開始工作，以使ｓ/ｎ維持不變，這對(duì)室外惡劣環(huán)境下作業(yè)的ｅｎｇ很有效。

１、ｃｃｄ信號(hào)讀出

采用雙象素讀出技術(shù)，ｄｐｒ（double pixel readout）將兩個(gè)ｃｃｄ象素的電荷（電平）加在一起，從而輸出一個(gè)兩倍電平的圖像信號(hào)。這樣，可在不加大噪波電平的同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)＋６db的提高。

２、 電路處理

a.黑壓縮

我們知道，γ系數(shù)對(duì)于低照度下信號(hào)(0.1~0.3v)影響很大，特別是噪波。采用黑壓縮，可以減小γ值，相對(duì)來(lái)說減小了噪波。

b.黑切割

通過切割低照度下的黑電平，可以明顯減小噪波。

c.減小帶寬

低照度下一般都伴隨著高增益。為了減小噪波，減小帶寬，或者說降低清晰度是常采用的。常用的方法是采用數(shù)字降噪技術(shù)；比較視頻場(chǎng)，其間差別不大，予以平均可提高ｓ/ｎ；其缺點(diǎn)是產(chǎn)生滯后(lag)。也可以對(duì)一個(gè)場(chǎng)內(nèi)象素間進(jìn)行比較平均，但這樣分辨力降低。

上面已經(jīng)談到，最低照度值受多個(gè)條件制約，在一般條件下最低照度值可以由攝像機(jī)靈敏度推出：如某一攝像機(jī)的靈敏度為f8、2,000 lux(0db)，它等效于f1.4、62.5 lux(0db)，或f1.4 、7.8 lux(+18db)。其原理是每減小一檔光圈，2,000 lux就減小一倍；增益每增加＋６db，2,000 lux也減小一倍。因此在１００％信號(hào)輸出情況下該攝像機(jī)最低照度為7.8 lux，７０％信號(hào)幅度輸出情況下其最低照度為3.2 lux。

推算過程：f8→f1.4，經(jīng)過５檔光圈（f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4），那么2,000 lux也應(yīng)被２5除，即2,000 lux/25=62.5 lux。

增益0db→18db (6db×3)照度62.5 lux/2 3=7.8 lux。

如果攝像機(jī)ｓ/ｎ為６０db（條件：增益0db，γoff），那么在增益＋１８db下，ｓ/ｎ減?。保?SPAN lang=EN-US>db，為４２db（γoff）。但最低照度是在γ=0.45情況下測(cè)得的，所以這時(shí)ｓ/ｎ下降到３６db。如不采取任何降噪措施，在增益＝＋３０db時(shí)，ｓ/ｎ將只有24db，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，這也是為什么在高增益下必然要采取相應(yīng)的降噪措施以提高ｓ/ｎ的原因。

考慮到目前在低照度情況下為提高ｓ/ｎ而采取的上述措施，我們列出這種情況下的最低照度以及ｓ/ｎ的估計(jì)值：

最低照度＝2,000/2[fs/fmin]×2[g/6]×nbin×nf lux

ｓ/ｎ（最低照度）≦s／ｎ（0db）－ｇ＋１０×log10(nbin×nf) db

其中：fs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)量的靈敏度光圈數(shù)，fmin為最低照度下的光圈數(shù)(即攝像機(jī)的最大光圈)，ｇ為最低照度下增益值，nbin表示ｃｃｄ讀出時(shí)幾行并讀數(shù)，nf為幾場(chǎng)積分(降噪)。

假如fs=f8，fmin=f1.4，s/n (0db)=60db，g=24db，nbin=2，nf=1，則：

最低照度＝２ lux

ｓ/ｎ(最低照度)≦３９db

之所以取≦，是因?yàn)榭紤]光子噪波，一般應(yīng)降低3~5db。如果在計(jì)算最低照度時(shí)ｇ?。常?SPAN lang=EN-US>db，其他條件如上所述，那么計(jì)算結(jié)果為１ lux。

如上所述，由于最低照度至今還沒有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，所以攝像機(jī)生產(chǎn)廠家在攝像機(jī)最低照度指標(biāo)說明中常給出一些附加條件，如sony公司生產(chǎn)的ｄｘｃ－６３７：最低照度為１ lux，附加條件是＋３０db，ｄｐｒ ｏｎ，f1.7；日立公司生產(chǎn)的z－1800，最低照度為1.5 lux，附加條件是f1.8，增益為＋24db，ultragain（超增益）on。

作為一名電視技術(shù)人員，甚至攝像機(jī)使用人員，對(duì)攝像機(jī)最低照度要有一個(gè)全面的了解，不要只知其一，不知其二。在使用過程中，一定要搞清楚所使攝像機(jī)最低照度的使用方法，有無(wú)為提高低照度s／n而設(shè)置的開關(guān)。我們是否可從下面的一段敘述中得到啟發(fā)呢？

1996年4月＜世界廣播電視＞發(fā)表了譚樂水的一篇文章“從使用松下ｆ５６５所想到的……”，其中有一段是這樣的：“盡管ｆ５６５有許許多多優(yōu)點(diǎn)是我贊嘆不已的，但是當(dāng)我編片時(shí)，還是讓我產(chǎn)生兩點(diǎn)遺憾：一是打開１８db增益開關(guān)，在低照度條件下拍攝時(shí)，同其他攝像機(jī)相比雜波改善不大；二是色彩不夠飽和。此時(shí)正值松下電器公司在云南電視臺(tái)召開展示會(huì)，會(huì)上我向松下電器公司的工程師們提出了我們的遺憾。沒想到，當(dāng)時(shí)就得到了圓滿的解決。由于我的錯(cuò)誤，使得ｆ５６５最卓越的兩個(gè)功能被我這個(gè)看不懂英文說明書的人給抹殺了。ｆ５６５有一個(gè)圖像噪聲抑制開關(guān)，開關(guān)一開，雜波立刻大大降低……。”