低照度摄像机的技术要素


摘要：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”.
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)


图2　镜头F值与有效口径之间的关系
　　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。

图3　光的波长分类

　　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。
　　由于图像传感器是把光转换为电荷信号的单元，因此进行该项转换的效率会大大影响摄像机的低照度性能。实现更好的低照度性能的条件为：像素尺寸大、图像传感器自身的感光度高(光电二极管的性能好、电荷/电压转换放大器的性能好)、具有更广波长范围的感光度特性。
图像传感器的像素尺寸
　　只要相应放大图像传感器整个受光面的大小等于图像尺寸，就可扩大图像传感器光电荷转换部的像素大小等于像素单元尺寸。以CCTV摄像机摄像单元、有效像素为44万像素(总像素数为47万像素)的CCD为例，其图像尺寸和像素单元尺寸如图4所示。图像尺寸以对角线的尺寸为基础，以型进行表示。

图4 图像传感器的像素尺寸

　　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