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CCD摄像机*低照度技术解析

2024/7/16 9:52:24点击:

  技术定义上讲,*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*大增益,光圈*大(所谓光圈*大,即*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,为0.45,自动拐点关断等等。
  一、*低照度的测试条件
  1)、*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*大增益的不同,其*低照度也会不同,必然产生混乱。
  2)、输出电平
  决定*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100(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100,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*低照度不是在统一标准下得出的。
  3)、曲线
  上面说过,*低照度的一个测定条件是=0.45,但并非全是如此。另外有几种情况影响曲线:
  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*低照度时要将该功能关断的原因。
  二、*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,=1时s/n为60db.如果增益改为 18db,则s/n为42db;当增益 18db,=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专业级,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.backthinning技术
  它可增加量子效率1~2倍,这种技术在专业级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。当芯片的温度超过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(doublepixelreadout)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,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,*低照度值受多个条件制约,在一般条件下*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)、2,000lux(0db),它等效于f1.4)、62.5lux(0db),或f1.4)、7.8lux( 18db)。其原理是每减小一档光圈,2,000lux就减小一倍;增益每增加 6db,2,000lux也减小一倍。因此在100信号输出情况下该摄像机*低照度为7.8lux,70信号幅度输出情况下其*低照度为3.2lux.
  推算过程:f8f1.4,经过5档光圈(f8)、f5.6)、f4)、f2.8)、f1.4),那么2,000lux也应被25除,即2,000lux/25=62.5lux.
  增益0db18db(6db3)照度62.5lux/23=7.8lux.
  如果摄像机s/n为60db(条件:增益0db,off),那么在增益 18db下,s/n减小 18db,为42db(off)。但*低照度是在=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*低照度以及s/n的估计值:
  *低照度=2,000/2 2 nbinnflux
  s/n(*低照度)≦s/n(0db)-g 10log10(nbinnf)db
  其中:fs为标准状态下测量的灵敏度光圈数,fmin为*低照度下的光圈数(即摄像机的*大光圈),g为*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:
  *低照度=2lux
  s/n(*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*低照度时g取30db,其他条件如上所述,那么计算结果为1lux.
  如上所述,由于*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*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:*低照度为1lux,附加条件是 30db,dpron,f1.7;日立公司生产的z-1800,*低照度为1.5lux,附加条件是f1.8,增益为 24db,ultragain(超增益)on.