主頁(yè)（http://www.130131.com）：低照度攝像機(jī)的技術(shù)要素(2)

圖4 圖像傳感器的像素尺寸

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　　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(jià)格相對(duì)較高。放大像素單元尺寸的方法之一是減少像素?cái)?shù)，但實(shí)際上27萬(wàn)像素1/3型CCD的感光度接近44萬(wàn)像素1/2型CCD，無(wú)法兼顧C(jī)CTV攝像機(jī)的另一個(gè)重要性能——分辨率性能。因此當(dāng)前1/2型44萬(wàn)像素CCD應(yīng)該可以說(shuō)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(kuò)大也有個(gè)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(gè)個(gè)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(duì)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(shí)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(shí)，即便是把F值放小，低照度性能也未必提高到像計(jì)算的那樣高。

　　調(diào)用放大器的改進(jìn)

　　把在像素中進(jìn)行光—電荷轉(zhuǎn)換時(shí)得到的“電荷”轉(zhuǎn)換為“電壓”的輸出放大器，通過(guò)微小的電容進(jìn)行電荷電壓轉(zhuǎn)換。每個(gè)像素的電荷通過(guò)轉(zhuǎn)送電路得以隨時(shí)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(hào)電壓就越大。

　　但這并不是說(shuō)只要有小點(diǎn)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(méi)有光的狀態(tài)下，只要有熱量，就會(huì)產(chǎn)生電荷，進(jìn)而產(chǎn)生暗電荷流。另外一個(gè)是輸出放大器，為了把每個(gè)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(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪音等。

　　這些都是從傳感器得到較大信號(hào)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(jìn)行技術(shù)革新，每年的輸出量都在逐漸增大。

　　近紅外對(duì)應(yīng)圖像傳感器

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

圖5　近紅外CCD

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　　由于硅是一種半透明的物質(zhì)，光的波長(zhǎng)不同，到達(dá)的深度也不同。由于近紅外線的光可以到達(dá)像素的深處，所以光和電荷之間就可進(jìn)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(jìn)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(huì)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(dòng)(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(shí)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(hào)電荷時(shí)，信號(hào)電荷在落入井內(nèi)時(shí)會(huì)和硅結(jié)晶內(nèi)的分子發(fā)生碰撞，信號(hào)電荷就會(huì)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�？梢园央姾杀对鲇玫乃�平轉(zhuǎn)送部設(shè)為100段以上，信號(hào)電荷最大可以增加1000倍。

　　EM-CCD的優(yōu)點(diǎn)是在輸出放大器的前面增加電荷量，無(wú)需增強(qiáng)輸出放大器產(chǎn)生的噪音就可增加信號(hào)。另一方面，像素(光電荷轉(zhuǎn)換部)產(chǎn)生的暗電荷流會(huì)一起增大，為了實(shí)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(lái)成本就有了大幅度的上升。

　　低照度攝像機(jī)的信號(hào)處理回路

　　慢快門

　　圖像傳感器通常是以1/50秒的間隔來(lái)調(diào)用影像。由于像素中得到的電荷量隨著時(shí)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(jī)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(jìn)行調(diào)用時(shí)，持續(xù)輸出前回調(diào)用的同一圖像。

　　延長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)曝光，所以調(diào)用動(dòng)作不能太快。現(xiàn)實(shí)中可作為動(dòng)畫(huà)使用的是4倍(曝光4/50秒)模式左右。

　　DNR(DIGITAL NOISE REDUCTION)

　　在CCTV相機(jī)中，信號(hào)處理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架間取一個(gè)移動(dòng)平均值，它具有隨機(jī)消除噪音的功能。由于DNR可以減少畫(huà)面噪音，可相對(duì)提高信號(hào)的增幅，進(jìn)而提高低光度。其弱點(diǎn)是輪廓較大，移動(dòng)不方便�，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了多種家用VTR技術(shù)，預(yù)計(jì)今后可裝配更高性能的DNR了。