主頁（http://www.130131.com）：淺析低照度攝像機的技術(shù)發(fā)展(2)

由于圖像傳感器是把光轉(zhuǎn)換為電荷信號的單元，因此進行該項轉(zhuǎn)換的效率會大大影響攝像機的低照度性能。實現(xiàn)更好的低照度性能的條件為：像素尺寸大、圖像傳感器自身的感光度高（光電二極管的性能好、電荷/電壓轉(zhuǎn)換放大器的性能好）、具有更廣波長范圍的感光度特性。

圖像傳感器的像素尺寸
只要相應(yīng)放大圖像傳感器整個受光面的大小等于圖像尺寸，就可擴大圖像傳感器光電荷轉(zhuǎn)換部的像素大小等于像素單元尺寸。以CCTV攝像機攝像單元、有效像素為44萬像素（總像素數(shù)為47萬像素）的CCD為例，其圖像尺寸和像素單元尺寸如圖4所示。圖像尺寸以對角線的尺寸為基礎(chǔ)，以型進行表示。

圖4中，1/2型CCD的像素單元尺寸大約是1/4型CCD的一倍，性能也優(yōu)越許多。但一枚硅片能夠拍攝的數(shù)量較少，價格相對較高。放大像素單元尺寸的方法之一是減少像素數(shù)，但實際上27萬像素1/3型CCD的感光度接近44萬像素1/2型CCD，無法兼顧CCTV攝像機的另一個重要性能——分辨率性能。因此當(dāng)前1/2型44萬像素CCD應(yīng)該可以說是性能最卓越的CCD了。

芯片式微型鏡頭
關(guān)于圖像傳感器，除了像素以外，CCD需要把轉(zhuǎn)送電路等做到同一硅片上，像素單元尺寸的擴大也有個限度。在同一像素單元尺寸下，把更多的光導(dǎo)向像素的技術(shù)方法是采用芯片式微型鏡頭。具體是把一個個的像素分別做成微小的鏡頭，把射入像素以外的部分的光導(dǎo)向像素部分。這不僅局限于CCD、CMOS，對于提高普通圖像傳感器的感光度也很有幫助。

如上述的圖2所示，在圖像傳感器的圖像表面，光并不垂直射入中心以外的攝像面。特別是在周邊部位，采用大口徑鏡頭時情況尤其明顯。由于在該狀態(tài)下芯片式微型鏡頭不能充分聚光，在采用F1.0以下的大口徑鏡頭時，即便是把F值放小，低照度性能也未必提高到像計算的那樣高。

 
調(diào)用放大器的改進
把在像素中進行光—電荷轉(zhuǎn)換時得到的“電荷”轉(zhuǎn)換為“電壓”的輸出放大器，通過微小的電容進行電荷電壓轉(zhuǎn)換。每個像素的電荷通過轉(zhuǎn)送電路得以隨時轉(zhuǎn)送，作為流入到電容中的電壓使用。眾所周知，電壓V和電容C、電荷量Q的關(guān)系為：V＝Q／C。在電荷量相同的條件下，電容越小，得到的信號電壓就越大。

 
但這并不是說只要有小點的電容就可以了。由于從像素得到的電荷量極少，在不減少放大器發(fā)出的各種噪音的前提下，輸出越大，噪音也一起增大。其主要噪音是暗電荷流，即便是在沒有光的狀態(tài)下，只要有熱量，就會產(chǎn)生電荷，進而產(chǎn)生暗電荷流。另外一個是輸出放大器，為了把每個像素的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，每次都需要把電容內(nèi)的電荷放空。但該操作不能完全放空電荷，殘留的電荷在互相流動時也會產(chǎn)生噪音等。
這些都是從傳感器得到較大信號輸出的障礙，因此圖像傳感器的生產(chǎn)商一直在降低噪音方面進行技術(shù)革新，每年的輸出量都在逐漸增大。

 
近紅外對應(yīng)圖像傳感器
在前述中的TRUE DAY&NIGHT功能說明中，介紹了CCD、CMOS等圖像傳感器對近紅外線的感光度，利用這一特性，可以通過插拔紅外線攔截過濾器來實現(xiàn)低照度性能。最近出現(xiàn)了能夠進一步提高對近紅外線的感光度的CCD，這就是近紅外CCD（NIR-CCD）。（如圖5所示）

由于硅是一種半透明的物質(zhì)，光的波長不同，到達的深度也不同。由于近紅外線的光可以到達像素的深處，所以光和電荷之間就可進行較高效率的轉(zhuǎn)換。在DAY&NIGHT功能中配以NIR-CCD，效果則更明顯。

 
EM CCD圖像傳感器
除了前面所講的CCD，目前還有進一步提高圖像傳感器的感光度的手段——EM-CCD。在硅片中排列的電極上施加高電壓就會出現(xiàn)比較容易蓄積電荷的井。CCD的原理就是使施加在電極上的電壓逐一發(fā)生變化，從而使電荷發(fā)生移動（將EM-CCD和光電二極管組合使用，就做成了CCD圖像傳感器）。通常的圖像傳感器在轉(zhuǎn)送時需要有8V左右的電壓，在采用更高的電壓（15V左右），形成較深的電荷井，并向其中導(dǎo)入信號電荷時，信號電荷在落入井內(nèi)時會和硅結(jié)晶內(nèi)的分子發(fā)生碰撞，信號電荷就會有明顯的增加。

把垂直轉(zhuǎn)送后的水平轉(zhuǎn)送部設(shè)置電荷增加功能，這就是EM-CCD圖像傳感器。可以把電荷倍增用的水平轉(zhuǎn)送部設(shè)為100段以上，信號電荷最大可以增加1000倍。

EM-CCD的優(yōu)點是在輸出放大器的前面增加電荷量，無需增強輸出放大器產(chǎn)生的噪音就可增加信號。另一方面，像素（光電荷轉(zhuǎn)換部）產(chǎn)生的暗電荷流會一起增大，為了實現(xiàn)預(yù)期的性能，抑制暗電荷流，就需要冷卻圖像傳感器。冷卻采用的是派耳帖元件（Peltier），但這么一來成本就有了大幅度的上升。

低照度攝像機的信號處理回路
慢快門
圖像傳感器通常是以1/50秒的間隔來調(diào)用影像。由于像素中得到的電荷量隨著時間的增加而增加，因而我們發(fā)明了一種慢快門功能，它不進行長時間的調(diào)用，而是持續(xù)像素中的光電荷轉(zhuǎn)換。但由于PAL系統(tǒng)需要從攝像機輸出為每幀1/50秒，特裝備了圖像內(nèi)存，在圖像傳感器不進行調(diào)用時，持續(xù)輸出前回調(diào)用的同一圖像。

延長調(diào)用間隔的話，2/50秒調(diào)用一次就可提高2倍的感光度，4/50秒調(diào)用一次就可提高4倍的感光度。為了持續(xù)長時曝光，所以調(diào)用動作不能太快�，F(xiàn)實中可作為動畫使用的是4倍（曝光4/50秒）模式左右。

DNR（DIGITAL NOISE REDUCTION）
在CCTV相機中，信號處理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架間取一個移動平均值，它具有隨機消除噪音的功能。由于DNR可以減少畫面噪音，可相對提高信號的增幅，進而提高低光度。其弱點是輪廓較大，移動不方便。現(xiàn)已開發(fā)出了多種家用VTR技術(shù)，預(yù)計今后可裝配更高性能的DNR了。

未來發(fā)展的趨勢
上文中已從低照度攝像機各重要部件介紹了該產(chǎn)品的一些技術(shù)。作為JVC的低照度攝像機，TK-C1480中已有1/2型、NIR-CCD、TRUE DAY&NIGHT機構(gòu)、慢快門，以及低照度技術(shù)等各種技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品。

在同行業(yè)中，我們的固體攝像單元、特別是CCD技術(shù)已取得了長足的進展，攝像機的低照度化也得到大幅度的推進，但還不能說已經(jīng)完全滿足了用戶監(jiān)視陰暗場所的需求。

適應(yīng)攝像機小型化的圖像傳感器的小型化、CMOS化、普及網(wǎng)絡(luò)相機所要求的兆象素化，應(yīng)該是未來所發(fā)展的方向。這對于低照度攝像機來說，困難在增加。
(中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)