詳談CCD攝像機的最低照度

   技術定義上講，最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最大增益，光圈最大(所謂光圈最大，即最小的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，γ為 0.45，自動拐點關斷等等。

 　　一、最低照度的測試條件

 　　1、最大增益

 　　一般為+18db，但是+24db和+30db的攝像機相繼出現。由于攝像機最大增益的不同，其最低照度也會不同，必然產生混亂。

 　　2、輸出電平

 　　決定最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，可見所聲稱的最低照度不是在統一標準下得出的。

 　　3、γ曲線

 　　上面說過，最低照度的一個測定條件是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最低照度時要將該功能關斷的原因。

 　　二、最低照度與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，γ=1時s/n為60db。如果增益改為+18db，則s/n為42db;當增益+18db，γ=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. back thinning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(double pixel readout)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，γ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γ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，最低照度值受多個條件制約，在一般條件下最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、2,000 lux(0db)，它等效于f1.4、62.5 lux(0db)，或f1.4 、7.8 lux(+18db)。其原理是每減小一檔光圈，2,000 lux就減小一倍;增益每增加+6db，2,000 lux也減小一倍。因此在100%信號輸出情況下該攝像機最低照度為7.8 lux，70%信號幅度輸出情況下其最低照度為3.2 lux。

 　　推算過程：f8→f1.4，經過5檔光圈(f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4)，那么2,000 lux也應被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。

 　　如果攝像機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最低照度以及s/n的估計值：

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

　　s/n(最低照度)≦s/n(0db)-g+10×log10(nbin×nf) db

　　其中：fs為標準狀態下測量的靈敏度光圈數，fmin為最低照度下的光圈數(即攝像機的最大光圈)，g為最低照度下增益值，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：

 　　最低照度=2 lux

　　s/n(最低照度)≦39db

　　之所以取≦，是因為考慮光子噪波，一般應降低3~5db。如果在計算最低照度時g取30db，其他條件如上所述，那么計算結果為1 lux。

 　　如上所述，由于最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最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：最低照度為1 lux，附加條件是+30db，dpr on，f1.7;日立公司生產的z-1800，最低照度為1.5 lux，附加條件是f1.8，增益為+24db，ultragain(超增益)on。