详谈CCD摄像机的较低照度

时间：2014-06-04

详谈CCD摄像机的较低照度

技术定义上讲，较低照度应该是在标准的电视帧比率下，CCD摄像机输出电平为某一幅度下所需的屏幕照度，其单位为1ux。当然这里包括摄像机处于较大增益，光圈较大(所谓光圈较大，即较小的f数，对于1/2英寸ccd摄像机，典型值为f1.4，而对于2/3英寸ccd摄像机，典型值为f1.7);另外，对于屏幕的反射率也应该是89.9%，色温3，200k，γ为 0.45，自动拐点关断等等。

一、较低照度的测试条件

1、较大增益

一般为+18db，但是+24db和+30db的摄像机相继出现。由于摄像机较大增益的不同，其较低照度也会不同，必然产生混乱。

2、输出电平

决定较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**(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**，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，可见所声称的较低照度不是在统一标准下得出的。

3、γ曲线

上面说过，较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较低照度时要将该功能关断的原因。

二、较低照度与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**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. back thinning技术

它可增加**效率1~2倍，这种技术在**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芯片上采用特有的电子冷却器，可使芯片的工作温度降低15℃左右。当芯片的温度**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(double pixel readout)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，较低照度值受多个条件制约，在一般条件下较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、2,000 lux(0db)，它等效于f1.4、62.5 lux(0db)，或f1.4 、7.8 lux(+18db)。其原理是每减小一档光圈，2,000 lux就减小一倍;增益每增加+6db，2,000 lux也减小一倍。因此在**信号输出情况下该摄像机较低照度为7.8 lux，70%信号幅度输出情况下其较低照度为3.2 lux。

推算过程：f8→f1.4，经过5档光圈(f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4)，那么2,000 lux也应被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)。但较低照度是在 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较低照度以及s/n的估计值：

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

s/n(较低照度)≦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为较低照度下的光圈数(即摄像机的较大光圈)，g为较低照度下增益值，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：

较低照度=2 lux

s/n(较低照度)≦39db

之所以取≦，是因为考虑光子噪波，一般应降低3~5db。如果在计算较低照度时g取30db，其他条件如上所述，那么计算结果为1 lux。

如上所述，由于较低照度至今还没有国际标准，所以摄像机生产厂家在摄像机较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：较低照度为1 lux，附加条件是+30db，dpr on，f1.7;日立公司生产的z-1800，较低照度为1.5 lux，附加条件是f1.8，增益为+24db，ultragain(**增益)on。

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