CCD摄像机最低照度浅析

作者：刘怀林 徐 成

由于生产厂家致力于ｃｃｄ的制作工艺和技术性能改进，ｃｃｄ摄像机灵敏度不断提高，其最低照度值大幅度下降；例如有的公司宣称其摄像机最低照度已达１ lux。ｃｃｄ摄像机已能在昏暗的光线下正常操作，这种功能对于夜间突发性新闻采集等特殊要求是非常有用的。但是，购买摄像机的用户仅仅相信产品说明或广告是不够的，因为有关最低照度的国际标准尚未建立。各厂家所称的最低照度，往往可能因不统一而引起误解。

从技术定义上讲，最低照度应该是在标准的电视帧比率下，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（见下表），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。

从表中可以看出，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. back thinning技术

它可增加量子效率１~2倍，这种技术在专业级