CCD攝像機(jī)*低照度技術(shù)解析
2024/7/16 9:52:24點(diǎn)擊：
技術(shù)定義上講，*低照度應(yīng)該是在標(biāo)準(zhǔn)的電視幀比率下，CCD攝像機(jī)輸出電平為某一幅度下所需的屏幕照度，其單位為1ux.當(dāng)然這里包括攝像機(jī)處于*大增益，光圈*大（所謂光圈*大，即*小的f數(shù)，對(duì)于1/2英寸ccd攝像機(jī)，典型值為f1.4，而對(duì)于2/3英寸ccd攝像機(jī)，典型值為f1.7）；另外，對(duì)于屏幕的反射率也應(yīng)該是89.9，色溫3，200k，為0.45，自動(dòng)拐點(diǎn)關(guān)斷等等。
一、*低照度的測(cè)試條件
1)、*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)*大增益的不同，其*低照度也會(huì)不同，必然產(chǎn)生混亂。
2)、輸出電平
決定*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(jiàn)表1），可以看出，同一類(lèi)型、不同廠(chǎng)家，或同一廠(chǎng)家、不同類(lèi)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(jiàn)所聲稱(chēng)的*低照度不是在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下得出的。
3)、曲線(xiàn)
上面說(shuō)過(guò)，*低照度的一個(gè)測(cè)定條件是=0.45，但并非全是如此。另外有幾種情況影響曲線(xiàn)：
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，這顯然影響曲線(xiàn)。
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(xiàn)明顯偏離0.45，這也是為什么在測(cè)量*低照度時(shí)要將該功能關(guān)斷的原因。
二、*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，=1時(shí)s/n為60db.如果增益改為 18db，則s/n為42db；當(dāng)增益 18db，=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(zhuān)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(mén)、控制線(xiàn)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(zhuān)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(kāi)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，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，*低照度值受多個(gè)條件制約，在一般條件下*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)*低照度為7.8lux，70信號(hào)幅度輸出情況下其*低照度為3.2lux.
推算過(guò)程：f8f1.4，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0db18db（6db3）照度62.5lux/23=7.8lux.
如果攝像機(jī)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(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*低照度以及s/n的估計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)量的靈敏度光圈數(shù)，fmin為*低照度下的光圈數(shù)（即攝像機(jī)的*大光圈），g為*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：
*低照度=2lux
s/n（*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*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*低照度至今還沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，所以攝像機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家在攝像機(jī)*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：*低照度為1lux，附加條件是 30db，dpron，f1.7；日立公司生產(chǎn)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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