CCD攝像機*低照度技術解析
2024/7/16 9:52:24點擊：
技術定義上講，*低照度應該是在標準的電視幀比率下，CCD攝像機輸出電平為某一幅度下所需的屏幕照度，其單位為1ux.當然這里包括攝像機處于*大增益，光圈*大（所謂光圈*大，即*小的f數，對于1/2英寸ccd攝像機，典型值為f1.4，而對于2/3英寸ccd攝像機，典型值為f1.7）；另外，對于屏幕的反射率也應該是89.9，色溫3，200k，為0.45，自動拐點關斷等等。
一、*低照度的測試條件
1)、*大增益
一般為 18db，但是 24db和 30db的攝像機相繼出現。由于攝像機*大增益的不同，其*低照度也會不同，必然產生混亂。
2)、輸出電平
決定*低照度的一個主要因素是攝像機的輸出電平，是標準電平的100（0.7v），還是70（0.49v）等，怎樣才算較為合理。由羅伯特？以瑟在攝像機低照度性評估一文資料所示（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，其輸出電平的要求也不一樣。
從表1可以看出，對廣播級攝像機，其輸出電平均要求100，這是比較統一的；但對于后三檔的攝像機，要求各異，并無統一標準，可見所聲稱的*低照度不是在統一標準下得出的。
3)、曲線
上面說過，*低照度的一個測定條件是=0.45，但并非全是如此。另外有幾種情況影響曲線：
a.黑壓縮。這在攝像機中廣泛使用，其主要目的是減小低照度下的噪波，這顯然影響曲線。
b.自動拐點電路。這也在攝像機中廣泛采用，其目的是壓縮高照度下的動態范圍，使得曲線明顯偏離0.45，這也是為什么在測量*低照度時要將該功能關斷的原因。
二、*低照度與s/n
在低照度下多使用高增益，勢必使s/n惡化。從后面的計算可知，若攝像機增益為0db，=1時s/n為60db.如果增益改為 18db，則s/n為42db；當增益 18db，=0.45時，s/n為36db.為了在低照度下不使s/n過度惡化，CCD攝像機通常采用以下措施：
1)、芯片CCD
a.采用大的CCD芯片
一般來說，大的CCD芯片，其相應的象素面積也較大，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，容易使攝像機整體質量提高。如目前2/3英寸芯片廣泛用于廣播級，1/2英寸芯片廣泛應用于專業級，1/3~1/4英寸廣泛用于家用級。但芯片尺寸大小，必然增加攝像機鏡頭和分色棱鏡的體積和重量，這也是家用機種采用小芯片尺寸的一個原因。另外須說明的是，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，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s/n高一倍。因為目前芯片技術不斷改進，特別是應消費的需求，1/2)、1/3英寸CCD芯片結構做得較為復雜，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，結果提高了這些小芯片的靈敏度，或者說提高了s/n.
b.微透鏡技術
在每個CCD象素芯片上都加有一個新型的半球形微透鏡，并結合光跟蹤模擬技術，使光電轉換效率大大提高。
c.backthinning技術
它可增加量子效率1~2倍，這種技術在專業級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。當芯片的溫度超過35℃時，這種電子冷卻器開始工作，以使s/n維持不變，這對室外惡劣環境下作業的eng很有效。
1)、CCD信號讀出
采用雙象素讀出技術，dpr（doublepixelreadout）將兩個CCD象素的電荷（電平）加在一起，從而輸出一個兩倍電平的圖像信號。這樣，可在不加大噪波電平的同時實現圖像信號 6db的提高。
2)、電路處理
a.黑壓縮
我們知道，系數對于低照度下信號（0.1~0.3v）影響很大，特別是噪波。采用黑壓縮，可以減小值，相對來說減小了噪波。
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字降噪技術；比較視頻場，其間差別不大，予以平均可提高s/n；其缺點是產生滯后（lag）。也可以對一個場內象素間進行比較平均，但這樣分辨力降低。
上面已經談到，*低照度值受多個條件制約，在一般條件下*低照度值可以由攝像機靈敏度推出：如某一攝像機的靈敏度為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信號輸出情況下該攝像機*低照度為7.8lux，70信號幅度輸出情況下其*低照度為3.2lux.
推算過程：f8f1.4，經過5檔光圈（f8)、f5.6)、f4)、f2.8)、f1.4），那么2，000lux也應被25除，即2，000lux/25=62.5lux.
增益0db18db（6db3）照度62.5lux/23=7.8lux.
如果攝像機s/n為60db（條件：增益0db，off），那么在增益 18db下，s/n減小 18db，為42db（off）。但*低照度是在=0.45情況下測得的，所以這時s/n下降到36db.如不采取任何降噪措施，在增益= 30db時，s/n將只有24db，嚴重影響圖像質量，這也是為什么在高增益下必然要采取相應的降噪措施以提高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*低照度以及s/n的估計值：
*低照度=2，000/2 2 nbinnflux
s/n（*低照度）≦s/n（0db）-g 10log10（nbinnf）db
其中：fs為標準狀態下測量的靈敏度光圈數，fmin為*低照度下的光圈數（即攝像機的*大光圈），g為*低照度下增益值，nbin表示CCD讀出時幾行并讀數，nf為幾場積分（降噪）。
假如fs=f8，fmin=f1.4，s/n（0db）=60db，g=24db，nbin=2，nf=1，則：
*低照度=2lux
s/n（*低照度）≦39db
之所以取≦，是因為考慮光子噪波，一般應降低3~5db.如果在計算*低照度時g取30db，其他條件如上所述，那么計算結果為1lux.
如上所述，由于*低照度至今還沒有國際標準，所以攝像機生產廠家在攝像機*低照度指標說明中常給出一些附加條件，如sony公司生產的dxc-637：*低照度為1lux，附加條件是 30db，dpron，f1.7；日立公司生產的z-1800，*低照度為1.5lux，附加條件是f1.8，增益為 24db，ultragain（超增益）on.
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