CCD攝像機(jī)最低照度技術(shù)詳談

　　一、最低照度的測(cè)試條件

　　1、最大增益

　　一般為+18db，但是+24db和+30db的攝像機(jī)相繼出現(xiàn)。由于攝像機(jī)最大增益的不同，其最低照度也會(huì)不同，必然產(chǎn)生混亂。

　　2、輸出電平

　　決定最低照度的一個(gè)主要因素是攝像機(jī)的輸出電平，是標(biāo)準(zhǔn)電平的100%(0.7v)，還是70%(0.49v)等，怎樣才算較為合理。由羅伯特?以瑟在 “攝像機(jī)低照度性評(píng)估”一文資料所示(見表1)，可以看出，同一類型、不同廠家，或同一廠家、不同類型的攝像機(jī)，其輸出電平的要求也不一樣。

　　從表1可以看出，對(duì)廣播級(jí)攝像機(jī)，其輸出電平均要求100%，這是比較統(tǒng)一的;但對(duì)于后三檔的攝像機(jī)，要求各異，并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可見所聲稱的最低照度不是在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下得出的。

　　3、γ曲線

　　上面說(shuō)過(guò)，最低照度的一個(gè)測(cè)定條件是γ=0.45，但并非全是如此。另外有幾種情況影響γ曲線：

　　a.黑壓縮。這在攝像機(jī)中廣泛使用，其主要目的是減小低照度下的噪波，這顯然影響γ曲線。

　　b.自動(dòng)拐點(diǎn)電路。這也在攝像機(jī)中廣泛采用，其目的是壓縮高照度下的動(dòng)態(tài)范圍，使得曲線明顯偏離0.45，這也是為什么在測(cè)量最低照度時(shí)要將該功能關(guān)斷的原因。

　　二、最低照度與s/n

　　在低照度下多使用高增益，勢(shì)必使s/n惡化。從后面的計(jì)算可知，若攝像機(jī)增益為0db，γ=1時(shí)s/n為60db。如果增益改為+18db，則s/n為 42db;當(dāng)增益+18db，γ=0.45時(shí)，s/n為36db。為了在低照度下不使s/n過(guò)度惡化，CCD攝像機(jī)通常采用以下措施：

　　1、芯片CCD

　　a.采用大的CCD芯片

　　一般來(lái)說(shuō)，大的CCD芯片，其相應(yīng)的象素面積也較大，接受所攝光的面積增大，必然使象素輸出電荷增多，靈敏度上升，容易使攝像機(jī)整體質(zhì)量提高。如目前 2/3英寸芯片廣泛用于廣播級(jí)，1/2英寸芯片廣泛應(yīng)用于專業(yè)級(jí)，1/3~1/4英寸廣泛用于家用級(jí)。但芯片尺寸大小，必然增加攝像機(jī)鏡頭和分色棱鏡的體積和重量，這也是家用機(jī)種采用小芯片尺寸的一個(gè)原因。另外須說(shuō)明的是，即使采用較大的芯片也未必能令s/n有明顯的改變。按理說(shuō)，2/3英寸CCD芯片的象素面積比1/2英寸CCD芯片的象素面積大一倍，而1/2英寸CCD芯片象素面積比1/3英寸CCD芯片象素面積也大一倍，但并非相應(yīng)s/n高一倍。因?yàn)槟壳靶酒夹g(shù)不斷改進(jìn)，特別是應(yīng)消費(fèi)的需求，1/2、1/3英寸CCD芯片結(jié)構(gòu)做得較為復(fù)雜，使移位寄存器、傳輸門、控制線和通道中止等所占面積減小，從面使象素受光面積增大，結(jié)果提高了這些小芯片的靈敏度，或者說(shuō)提高了s/n。

b.微透鏡技術(shù)

　　在每個(gè)CCD象素芯片上都加有一個(gè)新型的半球形微透鏡，并結(jié)合光跟蹤模擬技術(shù)，使光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。

　　c.backthinning技術(shù)

　　它可增加量子效率1~2倍，這種技術(shù)在專業(yè)級(jí)CCD中使用，可較好地改善低照度性能。

　　d.致冷CCD

　　雖然CCD暗電流噪波或者說(shuō)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(guò)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(doublepixelreadout)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(shuō)減小了噪波。

　　b.黑切割

　　通過(guò)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(shuō)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、2,000lux(0db)，它等效于f1.4、62.5lux(0db)，或f1.4、7.8lux(+18db)。其原理是每減小一檔光圈，2,000lux就減小一倍;增益每增加+6db，2,000lux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7.8lux，70%信號(hào)幅度輸出情況下其最低照度為 3.2lux。

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

　　增益0db→18db(6db×3)照度62.5lux/23=7.8lux。

　　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減小+18db，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×nflux

　　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=2lux

　　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取30db，其他條件如上所述，那么計(jì)算結(jié)果為1lux。

　　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(shuō)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1lux，附加條件是+30db，dpron，f1.7;日立公司生產(chǎn)的z-1800，最低照度為1.5lux，附加條件是f1.8，增益為+24db，ultragain(超增益)on。