CCD攝像機(jī)最低照度技術(shù)詳談
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(jī)相繼出現(xiàn)。由于攝像機(jī)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(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(jī),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(jī),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(jī),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(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γ曲線。
b.自動拐點(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(jì)算可知,若攝像機(jī)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(jī)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(jī)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(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?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、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.backthinning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(doublepixelreadout)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(shí)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(diǎn)是產(chǎn)生滯后(lag)。也可以對一個場內(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,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(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%信號輸出情況下該攝像機(jī)最低照度為7.8lux,70%信號幅度輸出情況下其最低照度為 3.2lux。
推算過程:f8→f1.4,經(jīng)過5檔光圈(f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4),那么2,000lux也應(yīng)被25除,即2,000lux/25=62.5lux。
增益0db→18db(6db×3)照度62.5lux/23=7.8lux。
如果攝像機(jī)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(jì)值:
最低照度=2,000/2[fs/fmin]×2[g/6]×nbin×nflux
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(jī)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=2lux
s/n(最低照度)≦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)算最低照度時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,由于最低照度至今還沒有國際標(biāo)準(zhǔn),所以攝像機(jī)生產(chǎn)廠家在攝像機(jī)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1lux,附加條件是+30db,dpron,f1.7;日立公司生產(chǎn)的z-1800,最低照度為1.5lux,附加條件是f1.8,增益為+24db,ultragain(超增益)on。
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