CCD摄像机最低照度技术详谈
摘要:技术定义上讲,最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最大增益,光圈最大(所谓光圈最大,即最小的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,γ为0.45,自动拐点关断等等。
技术定义上讲,最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最大增益,光圈最大(所谓光圈最大,即最小的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,γ为0.45,自动拐点关断等等。
一、最低照度的测试条件
1、最大增益
一般为+18db,但是+24db和+30db的摄像机相继出现。由于摄像机最大增益的不同,其最低照度也会不同,必然产生混乱。
2、输出电平
决定最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,可见所声称的最低照度不是在统一标准下得出的。
3、γ曲线
上面说过,最低照度的一个测定条件是γ=0.45,但并非全是如此。另外有几种情况影响γ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γ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最低照度时要将该功能关断的原因。
二、最低照度与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,γ=1时s/n为60db。如果增益改为+18db,则s/n为42db;当增益+18db,γ=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。
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