主页（http://www.pttcn.net）：浅析低照度摄像机的技术发展
对于CCTV摄像机来说，最重要的性能是分辨率和感光度（低照度性能）。由于CCTV摄像机可以发挥人眼的作用，帮助人类进行安全防范，因此，各大生产商都在努力提高其性能。近年来出现了一种高性能摄像机，它可以在黑暗环境中拍摄到人肉眼看不到的景物。本文就与大家探讨一下这种可实现低照度性能的技术。
文/日本JVC株式会社 郷田秀章
拍摄物的最低照度
在我们日常生活环境下的亮度单位用lx（勒克斯）表示，如果用lx表示我们身边环境的亮度，则如表1所示。
摄像机的低照度性能标准用拍摄物的最低照度来表示，这可以采用灰度图进行测试。在色温3100Ｋ的环境下降低拍摄物的光度，在灰度图中央的窗口部（白色部位）达到指定的视频电平（50％）时，读取其光度值（lx）。数值越小，则表示感光度越好，可以清楚地拍摄阴暗环境下的景物。如果光度值在上述亮度以下，则可用摄像机拍摄到影像（表1为标准值，实际设置时需要事先测定现场的光度）。
有的生产商在测定时把视频电平设定在20％以下，这么一来，即便有些摄像机具有表1所示亮度以下的最低拍摄物光度性能，所拍摄到的影像也不会清晰。选择摄像机时不能单纯地看lx值，还需要把测定时的视频电平统一起来，否则无法比较摄像机的好坏。
低照度摄像机的技术要素
对于在阴暗环境下如何清晰地拍摄到景物的低照度技术，可以从三方面进行说明：取光口“镜头和光学系”、把光转换为电荷的“图像传感器”、把得到的信号进行可视性加工的“信号处理回路”。（如图1所示）
低照度摄像机的镜头和光学系
明亮的镜头
为了捕捉到低照度的影像，需要采用明亮的镜头，因为它是光的入口所在。镜头的亮度用F值（光圈）表示。F值用：F值＝f（焦点距离）/ D（镜头的有效口径）表示，它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦点距离相同的条件下，口径越大，F值越小，镜头越明亮。（如图2所示）
把F值乘以2，然后把得到的数值取倒数，就可简单地比较出镜头的光量比了。比如，比较F1.0和F1.4的话，则为：F1.02＝1.0倒数为1/1=1；F1.42＝2.0倒数为1/2＝0.5。把F1.0镜头和F1.4进行比较，前者的图像传感器的采光量要比后者多出2倍以上。一般低照度摄像机通常采用F1.2左右的镜头。但最近也出现了采用F1.0镜头的摄像机。
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的明亮镜头中，也有不能按照上述计算公式来提高低照度性能的情况，这就是芯片式微型镜头。在这种镜头的图像传感器中，每个像素都设有一个微小的镜头（芯片式微型镜头），周围射入的光与图像传感器的图像表面无法成直角。从某种程度上讲，图像传感器就是基于这种考虑而设计的。大口径镜头受上述情况的影响较大，微型镜头不能充分地采光。因此，F值过小的话，镜头的价格是上去了，但并不能得到期望的低照度性能。
TRUE DAY＆NIGHT功能
光是电磁波的一种，其波长可按图3进行分类。我们人类可以感知到的可视光线波长约为400nm～700nm。而CCD和CMOS等以硅为原料的固体摄像单元可以感知到可视光以外的各种光线，尤其是可以感知到与可视光线的波长相近的近红外线。我们人类感知不到红外线光，显示器也无法显示这种红外线光。由于该红外线光会损害颜色的正确再现，通常要在图像传感器的前面插入红外线拦截过滤器，以便把这种红外线光拦截掉。
如果把近红外线进行转换，实行黑白显示的话，就可实现“看到看不见的东西”了。彩色条件下，需要插入红外线拦截过滤器，而在低照度条件下，需要拔掉红外线拦截过滤器进行黑白显示。本功能称为TRUE DAY&NIGHT功能。从构造上可以分为插在相机侧和插在镜头侧2种。为后一种构造时，需要有红外线拦截过滤器的插拔控制信号，因此主要应用在球型摄像机等镜头一体型的摄像机上。
DAY＆NIGHT镜头
如前所述，光的颜色不同，波长也不同，折射率（射入或射出玻璃时，行进方向发生变化）也不同。也就是说，即便是同一镜头，由于光的颜色不同，其焦点位置也不同，这称为轴上色差。CCTV镜头采用多个镜头进行组合，或是借助涂膜拦截不需要波长的光线，最终使波长不同的可视光都能聚集在同一焦点上。
在红外线领域，有些镜头因修正不充分而导致产生色差，或是因为通常条件下插入了红外线拦截过滤器，虽然CCD图像表面没有收集到焦点不同的红外线，但在拔掉红外线拦截过滤器后的黑白状态下，焦点会模糊不清。
在近红外线条件下，修正色差的镜头称为DAY&NIGHT镜头。DAY＆NIGHT镜头的实现方法各种各样，其性能差异也很大。通常有两种技术可实现：第一种，在原始基本设计中，变更轴上色差少的镜头表面的涂膜，提高近红外线透射率的镜头。比不易产生色差的镜头材料价格便宜，但性能一般；第二种，不易产生色差的镜头材料（ED＝使用异常分散玻璃、萤石等），价格非常高。CCTV镜头一般采用第一项技术。最终需要根据照明、图像传感器的感光度特性来选择镜头。
总之，照明时不具备能源特性的波长并不射入镜头中，因此不需要担心产生色差。另外在图像传感器不具有感光度的波长区段内，焦点不吻合的光不进行光电转换，也不需要担心产生色差。结合这些规律，只要把握好照明的波长和图像传感器的感光度特性，就可选择经济又划算的镜头了。
低照度摄像机的图像传感器
接下来介绍一下可把光转换为信号的部分图像传感器的低照度技术。现在，CCTV摄像机使用的大都是CCD、CMOS图像传感器。
CCD图像传感器，是用受光单元（光电二极管）把光转换为电荷，然后把电荷进行垂直和水平转送，然后用输出放大器把电荷转换为电压进行输出。这种接力传递式的转送结构称为CCD。由于以前使用的都是延时单元等，最近使用的则主要是图像传感器。受光单元称为像素，其数量称为像素数。PAL电视系统使用的有效像素一般为27万或44万像素。
CMOS将光转换为电荷的部分与CCD相同，但并不转送转换过的电荷，而是立即将其转换为电压。调用方法和制造工艺与CCD不同。
现在，在感光度和信噪比上，CCD占有优势。但CMOS的优点是耗电少(约为CCD的1/10)、无污点（拍摄高亮度的物体时，监控画面不出现白色的竖线）、制造简便，因此当前正在进行技术改造。特别是网络摄像机并不受监控系统的制约，现在出现了100万像素以上的摄像机（兆象素摄像机），而且今后像素数还会进一步增加，无需确保转送电路的面积即可实现相应功能，CMOS图像传感器就可发挥出优于CCD图像传感器的低照度性能。
(中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮)
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