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詳談CCD攝像機的最低照度
技術(shù)定義上講，最低照度應(yīng)該是在標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(shù)，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(yīng)該是89.9%，色溫3，200k，γ為 0.45，自動拐點關(guān)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(xiàn)。由于攝像機最大增益的不同，其最低照度也會不同，必然產(chǎn)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(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(tǒng)一的;但對于后三檔的攝像機，要求各異，并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可見所聲稱的最低照度不是在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(tài)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(guān)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(dāng)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(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，容易使攝像機整體質(zhì)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(yīng)用于專業(yè)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(yīng)s/n高一倍。因為目前芯片技術(shù)不斷改進，特別是應(yīng)消費的需求，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、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(jié)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(shù)
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(jié)合光跟蹤模擬技術(shù)，使光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。
c. back thinning技術(shù)
它可增加量子效率1~2倍，這種技術(shù)在專業(yè)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(dāng)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(huán)境下作業(yè)的eng很有效。
1、CCD信號讀出
采用雙象素讀出技術(shù)，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(xiàn)圖像信號+6db的提高。
2、電路處理
a.黑壓縮
我們知道，γ系數(shù)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(shù)字降噪技術(shù);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(chǎn)生滯后(lag)。也可以對一個場內(nèi)象素間進行比較平均，但這樣分辨力降低。
上面已經(jīng)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(jīng)過5檔光圈(f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4)，那么2,000 lux也應(yīng)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(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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測量的靈敏度光圈數(shù)，fmin為最低照度下的光圈數(shù)(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(shù)，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(yīng)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(jié)果為1 lux。
如上所述，由于最低照度至今還沒有國際標(biāo)準(zhǔn)，所以攝像機生產(chǎn)廠家在攝像機最低照度指標(biāo)說明中常給出一些附加條件，如sony公司生產(chǎn)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(chǎn)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。
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