CCD摄像机Z低照度技术详谈
时间：2014-06-04 阅读：1823
一、zui低照度的测试条件
1、zui大增益
一般为+18db，但是+24db和+30db的摄像机相继出现。由于摄像机zui大增益的不同，其zui低照度也会不同，必然产生混乱。
2、输出电平
决定zui低照度的一个主要因素是摄像机的输出电平，是标准电平的100%(0.7v)，还是70%(0.49v)等，怎样才算较为合理。由罗伯特?以瑟在“摄像机低照度性评估”一文资料所示(见表1)，可以看出，同一类型、不同厂家，或同一厂家、不同类型的摄像机，其输出电平的要求也不一样。
从表1可以看出，对广播级摄像机，其输出电平均要求100%，这是比较统一的;但对于后三档的摄像机，要求各异，并无统一标准，可见所声称的zui低照度不是在统一标准下得出的。
3、γ曲线
上面说过，zui低照度的一个测定条件是γ=0.45，但并非全是如此。另外有几种情况影响γ曲线：
a.黑压缩。这在摄像机中广泛使用，其主要目的是减小低照度下的噪波，这显然影响γ曲线。
b.自动拐点电路。这也在摄像机中广泛采用，其目的是压缩高照度下的动态范围，使得曲线明显偏离0.45，这也是为什么在测量zui低照度时要将该功能关断的原因。
二、zui低照度与s/n
在低照度下多使用高增益，势必使s/n恶化。从后面的计算可知，若摄像机增益为0db，γ=1时s/n为60db。如果增益改为+18db，则s/n为42db;当增益+18db，γ=0.45时，s/n为36db。为了在低照度下不使s/n过度恶化，CCD摄像机通常采用以下措施：
1、芯片CCD
a.采用大的CCD芯片
一般来说，大的CCD芯片，其相应的象素面积也较大，接受所摄光的面积增大，必然使象素输出电荷增多，灵敏度上升，容易使摄像机整体质量提高。如目前2/3英寸芯片广泛用于广播级，1/2英寸芯片广泛应用于专业级，1/3~1/4英寸广泛用于家用级。但芯片尺寸大小，必然增加摄像机镜头和分色棱镜的体积和重量，这也是家用机种采用小芯片尺寸的一个原因。另外须说明的是，即使采用较大的芯片也未必能令s/n有明显的改变。按理说，2/3英寸CCD芯片的象素面积比1/2英寸CCD芯片的象素面积大一倍，而1/2英寸CCD芯片象素面积比1/3英寸CCD芯片象素面积也大一倍，但并非相应s/n高一倍。因为目前芯片技术不断改进，特别是应消费的需求，1/2、1/3英寸CCD芯片结构做得较为复杂，使移位寄存器、传输门、控制线和通道中止等所占面积减小，从面使象素受光面积增大，结果提高了这些小芯片的灵敏度，或者说提高了s/n。
b.微透镜技术
在每个CCD象素芯片上都加有一个新型的半球形微透镜，并结合光跟踪模拟技术，使光电转换效率大大提高。
c.backthinning技术
它可增加量子效率1~2倍，这种技术在专业级CCD中使用，可较好地改善低照度性能。
d.致冷CCD
虽然CCD暗电流噪波或者说热噪波和固定图案噪波在常温下并不重要，但随着温度升高，其影响不可忽视。通常温度升高10℃，暗电流增加一倍。在CCD芯片上采用*的电子冷却器，可使芯片的工作温度降低15℃左右。当芯片的温度超过35℃时，这种电子冷却器开始工作，以使s/n维持不变，这对室外恶劣环境下作业的eng很有效。
1、CCD信号读出
采用双象素读出技术，dpr(doublepixelreadout)将两个CCD象素的电荷(电平)加在一起，从而输出一个两倍电平的图像信号。这样，可在不加大噪波电平的同时实现图像信号+6db的提高。
2、电路处理
a.黑压缩
我们知道，γ系数对于低照度下信号(0.1~0.3v)影响很大，特别是噪波。采用黑压缩，可以减小γ值，相对来说减小了噪波。
b.黑切割
通过切割低照度下的黑电平，可以明显减小噪波。
c.减小带宽
低照度下一般都伴随着高增益。为了减小噪波，减小带宽，或者说降低清晰度是常采用的。常用的方法是采用数字降噪技术;比较视频场，其间差别不大，予以平均可提高s/n;其缺点是产生滞后(lag)。也可以对一个场内象素间进行比较平均，但这样分辨力降低。
上面已经谈到，zui低照度值受多个条件制约，在一般条件下zui低照度值可以由摄像机灵敏度推出：如某一摄像机的灵敏度为f8、2,000lux(0db)，它等效于f1.4、62.5lux(0db)，或f1.4、7.8lux(+18db)。其原理是每减小一档光圈，2,000lux就减小一倍;增益每增加+6db，2,000lux也减小一倍。因此在100%信号输出情况下该摄像机zui低照度为7.8lux，70%信号幅度输出情况下其zui低照度为3.2lux。
推算过程：f8→f1.4，经过5档光圈(f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4)，那么2,000lux也应被25除，即2,000lux/25=62.5lux。
增益0db→18db(6db×3)照度62.5lux/23=7.8lux。
如果摄像机s/n为60db(条件：增益0db，γoff)，那么在增益+18db下，s/n减小+18db，为42db(γoff)。但zui低照度是在γ=0.45情况下测得的，所以这时s/n下降到36db。如不采取任何降噪措施，在增益=+30db时，s/n将只有24db，严重影响图像质量，这也是为什么在高增益下必然要采取相应的降噪措施以提高s/n的原因。
考虑到目前在低照度情况下为提高s/n而采取的上述措施，我们列出这种情况下的zui低照度以及s/n的估计值：
zui低照度=2,000/2[fs/fmin]×2[g/6]×nbin×nflux
s/n(zui低照度)≦s/n(0db)-g+10×log10(nbin×nf)db
其中：fs为标准状态下测量的灵敏度光圈数，fmin为zui低照度下的光圈数(即摄像机的zui大光圈)，g为zui低照度下增益值，nbin表示CCD读出时几行并读数，nf为几场积分(降噪)。
假如fs=f8，fmin=f1.4，s/n(0db)=60db，g=24db，nbin=2，nf=1，则：
zui低照度=2lux
s/n(zui低照度)≦39db
之所以取≦，是因为考虑光子噪波，一般应降低3~5db。如果在计算zui低照度时g取30db，其他条件如上所述，那么计算结果为1lux。
如上所述，由于zui低照度至今还没有标准，所以摄像机生产厂家在摄像机zui低照度指标说明中常给出一些附加条件，如sony公司生产的dxc-637：zui低照度为1lux，附加条件是+30db，dpron，f1.7;日立公司生产的z-1800，zui低照度为1.5lux，附加条件是f1.8，增益为+24db，ultragain(超增益)on。