低照度攝像機(jī)的技術(shù)要素
低照度攝像機(jī)的技術(shù)要素
摘要：對(duì)于在陰暗環(huán)境下如何清晰地拍攝到景物的低照度技術(shù)，可以從三方面進(jìn)行說(shuō)明：取光口“鏡頭和光學(xué)系”、把光轉(zhuǎn)換為電荷的“圖像傳感器”、把得到的信號(hào)進(jìn)行可視性加工的“信號(hào)處理回路”.
對(duì)于在陰暗環(huán)境下如何清晰地拍攝到景物的低照度技術(shù)，可以從三方面進(jìn)行說(shuō)明：取光口“鏡頭和光學(xué)系”、把光轉(zhuǎn)換為電荷的“圖像傳感器”、把得到的信號(hào)進(jìn)行可視性加工的“信號(hào)處理回路”。(如圖1所示)
低照度攝像機(jī)的鏡頭和光學(xué)系
明亮的鏡頭
為了捕捉到低照度的影像，需要采用明亮的鏡頭，因?yàn)樗枪獾娜肟谒凇ｇR頭的亮度用F值(光圈)表示。F值用：F值=f(焦點(diǎn)距離)/ D(鏡頭的有效口徑)表示，它與口徑成反比，與焦點(diǎn)距離成正比。在焦點(diǎn)距離相同的條件下，口徑越大，F(xiàn)值越小，鏡頭越明亮。(如圖2所示) 
圖2 鏡頭F值與有效口徑之間的關(guān)系
把F值乘以2，然后把得到的數(shù)值取倒數(shù)，就可簡(jiǎn)單地比較出鏡頭的光量比了。比如，比較F1.0和F1.4的話，則為：F1.02=1.0倒數(shù)為1/1=1;F1.42=2.0倒數(shù)為1/2=0.5。把F1.0鏡頭和F1.4進(jìn)行比較，前者的圖像傳感器的采光量要比后者多出2倍以上。一般低照度攝像機(jī)通常采用F1.2左右的鏡頭。但最近也出現(xiàn)了采用F1.0鏡頭的攝像機(jī)。
前面提到，低照度性能的提高和F值成反比例的。但在低于F1.0的明亮鏡頭中，也有不能按照上述計(jì)算公式來(lái)提高低照度性能的情況，這就是芯片式微型鏡頭。在這種鏡頭的圖像傳感器中，每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)微小的鏡頭(芯片式微型鏡頭)，周圍射入的光與圖像傳感器的圖像表面無(wú)法成直角。從某種程度上講，圖像傳感器就是基于這種考慮而設(shè)計(jì)的。大口徑鏡頭受上述情況的影響較大，微型鏡頭不能充分地采光。因此，F(xiàn)值過(guò)小的話，鏡頭的價(jià)格是上去了，但并不能得到期望的低照度性能。
TRUE DAY&NIGHT功能
光是電磁波的一種，其波長(zhǎng)可按圖3進(jìn)行分類。我們?nèi)祟惪梢愿兄降目梢暪饩€波長(zhǎng)約為400nm～700nm。而CCD和CMOS等以硅為原料的固體攝像單元可以感知到可視光以外的各種光線，尤其是可以感知到與可視光線的波長(zhǎng)相近的近紅外線。我們?nèi)祟惛兄坏郊t外線光，顯示器也無(wú)法顯示這種紅外線光。由于該紅外線光會(huì)損害顏色的正確再現(xiàn)，通常要在圖像傳感器的前面插入紅外線攔截過(guò)濾器，以便把這種紅外線光攔截掉。
圖3 光的波長(zhǎng)分類
如果把近紅外線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)行黑白顯示的話，就可實(shí)現(xiàn)“看到看不見(jiàn)的東西”了。彩色條件下，需要插入紅外線攔截過(guò)濾器，而在低照度條件下，需要拔掉紅外線攔截過(guò)濾器進(jìn)行黑白顯示。本功能稱為TRUE DAY&NIGHT功能。從構(gòu)造上可以分為插在相機(jī)側(cè)和插在鏡頭側(cè)2種。為后一種構(gòu)造時(shí)，需要有紅外線攔截過(guò)濾器的插拔控制信號(hào)，因此主要應(yīng)用在球型攝像機(jī)等鏡頭一體型的攝像機(jī)上。
DAY&NIGHT鏡頭
如前所述，光的顏色不同，波長(zhǎng)也不同，折射率(射入或射出玻璃時(shí)，行進(jìn)方向發(fā)生變化)也不同。也就是說(shuō)，即便是同一鏡頭，由于光的顏色不同，其焦點(diǎn)位置也不同，這稱為軸上色差。CCTV鏡頭采用多個(gè)鏡頭進(jìn)行組合，或是借助涂膜攔截不需要波長(zhǎng)的光線，最終使波長(zhǎng)不同的可視光都能聚集在同一焦點(diǎn)上。
在紅外線領(lǐng)域，有些鏡頭因修正不充分而導(dǎo)致產(chǎn)生色差，或是因?yàn)橥ǔl件下插入了紅外線攔截過(guò)濾器，雖然CCD圖像表面沒(méi)有收集到焦點(diǎn)不同的紅外線，但在拔掉紅外線攔截過(guò)濾器后的黑白狀態(tài)下，焦點(diǎn)會(huì)模糊不清。
在近紅外線條件下，修正色差的鏡頭稱為DAY&NIGHT鏡頭。DAY&NIGHT鏡頭的實(shí)現(xiàn)方法各種各樣，其性能差異也很大。通常有兩種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)：第一種，在原始基本設(shè)計(jì)中，變更軸上色差少的鏡頭表面的涂膜，提高近紅外線透射率的鏡頭。比不易產(chǎn)生色差的鏡頭材料價(jià)格便宜，但性能一般;第二種，不易產(chǎn)生色差的鏡頭材料(ED=使用異常分散玻璃、螢石等)，價(jià)格非常高。CCTV鏡頭一般采用第一項(xiàng)技術(shù)。最終需要根據(jù)照明、圖像傳感器的感光度特性來(lái)選擇鏡頭。
總之，照明時(shí)不具備能源特性的波長(zhǎng)并不射入鏡頭中，因此不需要擔(dān)心產(chǎn)生色差。另外在圖像傳感器不具有感光度的波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，焦點(diǎn)不吻合的光不進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，也不需要擔(dān)心產(chǎn)生色差。結(jié)合這些規(guī)律，只要把握好照明的波長(zhǎng)和圖像傳感器的感光度特性，就可選擇經(jīng)濟(jì)又劃算的鏡頭了。
低照度攝像機(jī)的圖像傳感器
接下來(lái)介紹一下可把光轉(zhuǎn)換為信號(hào)的部分圖像傳感器的低照度技術(shù)?，F(xiàn)在，CCTV攝像機(jī)使用的大都是CCD、CMOS圖像傳感器。
CCD圖像傳感器，是用受光單元(光電二極管)把光轉(zhuǎn)換為電荷，然后把電荷進(jìn)行垂直和水平轉(zhuǎn)送，然后用輸出放大器把電荷轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行輸出。這種接力傳遞式的轉(zhuǎn)送結(jié)構(gòu)稱為CCD。由于以前使用的都是延時(shí)單元等，最近使用的則主要是圖像傳感器。受光單元稱為像素，其數(shù)量稱為像素?cái)?shù)。PAL電視系統(tǒng)使用的有效像素一般為27萬(wàn)或44萬(wàn)像素。
CMOS將光轉(zhuǎn)換為電荷的部分與CCD相同，但并不轉(zhuǎn)送轉(zhuǎn)換過(guò)的電荷，而是立即將其轉(zhuǎn)換為電壓。調(diào)用方法和制造工藝與CCD不同。
現(xiàn)在，在感光度和信噪比上，CCD占有優(yōu)勢(shì)。但CMOS的優(yōu)點(diǎn)是耗電少(約為CCD的1/10)、無(wú)污點(diǎn)(拍攝高亮度的物體時(shí)，監(jiān)控畫面不出現(xiàn)白色的豎線)、制造簡(jiǎn)便，因此當(dāng)前正在進(jìn)行技術(shù)改造。特別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)并不受監(jiān)控系統(tǒng)的制約，現(xiàn)在出現(xiàn)了100萬(wàn)像素以上的攝像機(jī)(兆象素?cái)z像機(jī))，而且今后像素?cái)?shù)還會(huì)進(jìn)一步增加，無(wú)需確保轉(zhuǎn)送電路的面積即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。
由于圖像傳感器是把光轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)的單元，因此進(jìn)行該項(xiàng)轉(zhuǎn)換的效率會(huì)大大影響攝像機(jī)的低照度性能。實(shí)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(zhǎng)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(gè)受光面的大小等于圖像尺寸，就可擴(kuò)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(jī)攝像單元、有效像素為44萬(wàn)像素(總像素?cái)?shù)為47萬(wàn)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(duì)角線的尺寸為基礎(chǔ)，以型進(jìn)行表示。
圖4 圖像傳感器的像素尺寸
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
