低照度摄像机的技术要素(2)

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图4 图像传感器的像素尺寸

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　　图4中，1/2型CCD的像素单元尺寸大约是1/4型CCD的一倍，性能也优越许多。但一枚硅片能够拍摄的数量较少，价格相对较高。放大像素单元尺寸的方法之一是减少像素数，但实际上27万像素1/3型CCD的感光度接近44万像素1/2型CCD，无法兼顾CCTV摄像机的另一个重要性能——分辨率性能。因此当前1/2型44万像素CCD应该可以说是性能最卓越的CCD了。

　　芯片式微型镜头

　　关于图像传感器，除了像素以外，CCD需要把转送电路等做到同一硅片上，像素单元尺寸的扩大也有个限度。在同一像素单元尺寸下，把更多的光导向像素的技术方法是采用芯片式微型镜头。具体是把一个个的像素分别做成微小的镜头，把射入像素以外的部分的光导向像素部分。这不仅局限于CCD、CMOS，对于提高普通图像传感器的感光度也很有帮助。

　　如上述的图2所示，在图像传感器的图像表面，光并不垂直射入中心以外的摄像面。特别是在周边部位，采用大口径镜头时情况尤其明显。由于在该状态下芯片式微型镜头不能充分聚光，在采用F1.0以下的大口径镜头时，即便是把F值放小，低照度性能也未必提高到像计算的那样高。

　　调用放大器的改进

　　把在像素中进行光—电荷转换时得到的“电荷”转换为“电压”的输出放大器，通过微小的电容进行电荷电压转换。每个像素的电荷通过转送电路得以随时转送，作为流入到电容中的电压使用。众所周知，电压V和电容C、电荷量Q的关系为：V=Q/C。在电荷量相同的条件下，电容越小，得到的信号电压就越大。

　　但这并不是说只要有小点的电容就可以了。由于从像素得到的电荷量极少，在不减少放大器发出的各种噪音的前提下，输出越大，噪音也一起增大。其主要噪音是暗电荷流，即便是在没有光的状态下，只要有热量，就会产生电荷，进而产生暗电荷流。另外一个是输出放大器，为了把每个像素的电荷转换为电压，每次都需要把电容内的电荷放空。但该操作不能完全放空电荷，残留的电荷在互相流动时也会产生噪音等。

　　这些都是从传感器得到较大信号输出的障碍，因此图像传感器的生产商一直在降低噪音方面进行技术革新，每年的输出量都在逐渐增大。

　　近红外对应图像传感器

　　在前述中的TRUE DAY&NIGHT功能说明中，介绍了CCD、CMOS等图像传感器对近红外线的感光度，利用这一特性，可以通过插拔红外线拦截过滤器来实现低照度性能。最近出现了能够进一步提高对近红外线的感光度的CCD，这就是近红外CCD(NIR-CCD)。(如图5所示)

图5　近红外CCD

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　　由于硅是一种半透明的物质，光的波长不同，到达的深度也不同。由于近红外线的光可以到达像素的深处，所以光和电荷之间就可进行较高效率的转换。在DAY&NIGHT功能中配以NIR-CCD，效果则更明显。

　　EM CCD图像传感器

　　除了前面所讲的CCD，目前还有进一步提高图像传感器的感光度的手段——EM-CCD。在硅片中排列的电极上施加高电压就会出现比较容易蓄积电荷的井。CCD的原理就是使施加在电极上的电压逐一发生变化，从而使电荷发生移动(将EM-CCD和光电二极管组合使用，就做成了CCD图像传感器)。通常的图像传感器在转送时需要有8V左右的电压，在采用更高的电压(15V左右)，形成较深的电荷井，并向其中导入信号电荷时，信号电荷在落入井内时会和硅结晶内的分子发生碰撞，信号电荷就会有明显的增加。

　　把垂直转送后的水平转送部设置电荷增加功能，这就是EM-CCD图像传感器。可以把电荷倍增用的水平转送部设为100段以上，信号电荷最大可以增加1000倍。

　　EM-CCD的优点是在输出放大器的前面增加电荷量，无需增强输出放大器产生的噪音就可增加信号。另一方面，像素(光电荷转换部)产生的暗电荷流会一起增大，为了实现预期的性能，抑制暗电荷流，就需要冷却图像传感器。冷却采用的是派耳帖元件(Peltier)，但这么一来成本就有了大幅度的上升。

　　低照度摄像机的信号处理回路

　　慢快门

　　图像传感器通常是以1/50秒的间隔来调用影像。由于像素中得到的电荷量随着时间的增加而增加，因而我们发明了一种慢快门功能，它不进行长时间的调用，而是持续像素中的光电荷转换。但由于PAL系统需要从摄像机输出为每帧1/50秒，特装备了图像内存，在图像传感器不进行调用时，持续输出前回调用的同一图像。

　　延长调用间隔的话，2/50秒调用一次就可提高2倍的感光度，4/50秒调用一次就可提高4倍的感光度。为了持续长时曝光，所以调用动作不能太快。现实中可作为动画使用的是4倍(曝光4/50秒)模式左右。

　　DNR(DIGITAL NOISE REDUCTION)

　　在CCTV相机中，信号处理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架间取一个移动平均值，它具有随机消除噪音的功能。由于DNR可以减少画面噪音，可相对提高信号的增幅，进而提高低光度。其弱点是轮廓较大，移动不方便。现已开发出了多种家用VTR技术，预计今后可装配更高性能的DNR了。