| CCD攝像機最低照度淺析
由于生產廠家致力于ｃｃｄ的制作工藝和技術性能改進，ｃｃｄ攝像機靈敏度不斷提高，其最低照度值大幅度下降；例如有的公司宣稱其攝像機最低照度已達１ lux。ｃｃｄ攝像機已能在昏暗的光線下正常操作，這種功能對于夜間突發性新聞采集等特殊要求是非常有用的。但是，購買攝像機的用戶僅僅相信產品說明或廣告是不夠的，因為有關最低照度的國際標準尚未建立。各廠家所稱的最低照度，往往可能因不統一而引起誤解。
從技術定義上講，最低照度應該是在標準的電視幀比率下，攝像機輸出電平為某一幅度下所需的屏幕照度，其單位為1ux。當然這里包括攝像機處于最大增益，光圈最大（所謂光圈最大，即最小的f數，對于１／２英寸ccd攝像機，典型值為f1.4，而對于２／３英寸ccd攝像機，典型值為f1.7）；另外，對于屏幕的反射率也應該是89.9%，色溫３，２００ｋ，γ為0.45，自動拐點關斷等等。
一、最低照度的測試條件
１、最大增益
一般為＋１８db，但是＋２４db和＋３０db的攝像機相繼出現。由于攝像機最大增益的不同，其最低照度也會不同，必然產生混亂。
２、輸出電平
決定最低照度的一個主要因素是攝像機的輸出電平，是標準電平的１００％（0.7v），還是７０％（0.49v）等，怎樣才算較為合理。由羅伯特?以瑟在“攝像機低照度性評估”一文資料所示（見表１），可以看出，同一類型、不同廠家，或同一廠家、不同類型的攝像機，其輸出電平的要求也不一樣。
從表１可以看出，對廣播級攝像機，其輸出電平均要求１００％，這是比較統一的；但對于后三檔的攝像機，要求各異，并無統一標準，可見所聲稱的最低照度不是在統一標準下得出的。
３、γ曲線
上面說過，最低照度的一個測定條件是γ=0.45，但并非全是如此。另外有幾種情況影響γ曲線：
a.黑壓縮。這在攝像機中廣泛使用，其主要目的是減小低照度下的噪波，這顯然影響γ曲線。
b. 自動拐點電路。這也在攝像機中廣泛采用，其目的是壓縮高照度下的動態范圍，使得曲線明顯偏離0.45，這也是為什么在測量最低照度時要將該功能關斷的原因。
二、最低照度與ｓ/ｎ
在低照度下多使用高增益，勢必使ｓ/ｎ惡化。從后面的計算可知，若攝像機增益為0db，γ=1時ｓ/ｎ為60db。如果增益改為＋１８db，則ｓ/ｎ為４２db；當增益＋１８db，γ=0.45時，ｓ/ｎ為36db。為了在低照度下不使ｓ/ｎ過度惡化，ｃｃｄ攝像機通常采用以下措施：
表 1
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廠家范 圍 |
sony |
松 下 |
jvc |
日 立 |
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演播廳efp、高檔eng |
１００ |
１００ |
１００ |
１００ |
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低檔efp、ｅｎｇ
高檔業務級 |
５０ |
７０ |
１００ |
５０ |
|
業務級單片ｃｃｄ |
５０ |
３０ |
３５ |
３０ |
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家用級（估計值） |
２０~５０ |
２０~２５ |
２０~２５ |
２０~２５ |
１、 芯片ｃｃｄ
a.采用大的ｃｃｄ芯片
一般來說，大的ｃｃｄ芯片，其相應的象素面積也較大，接受所攝光的面積增大，必然使象素輸出電荷增多，靈敏度上升，容易使攝像機整體質量提高。如目前２/３英寸芯片廣泛用于廣播級，１/２英寸芯片廣泛應用于專業級，１/３~１/４英寸廣泛用于家用級。但芯片尺寸大小，必然增加攝像機鏡頭和分色棱鏡的體積和重量，這也是家用機種采用小芯片尺寸的一個原因。另外須說明的是，即使采用較大的芯片也未必能令ｓ/ｎ有明顯的改變。按理說，２/３英寸ｃｃｄ芯片的象素面積比１/２英寸ｃｃｄ芯片的象素面積大一倍，而１/２英寸ｃｃｄ芯片象素面積比１/３英寸ｃｃｄ芯片象素面積也大一倍，但并非相應s/n高一倍。因為目前芯片技術不斷改進，特別是應消費的需求，１/２、１/３英寸ｃｃｄ芯片結構做得較為復雜，使移位寄存器、傳輸門、控制線和通道中止等所占面積減小，從面使象素受光面積增大，結果提高了這些小芯片的靈敏度，或者說提高了ｓ/ｎ。
b. 微透鏡技術
在每個ｃｃｄ象素芯片上都加有一個新型的半球形微透鏡，并結合光跟蹤模擬技術，使光電轉換效率大大提高。
c. back thinning技術
它可增加量子效率１~2倍，這種技術在專業級ｃｃｄ中使用，可較好地改善低照度性能。
d. 致冷ｃｃｄ
雖然ｃｃｄ暗電流噪波或者說熱噪波和固定圖案噪波在常溫下并不重要，但隨著溫度升高，其影響不可忽視。通常溫度升高10℃，暗電流增加一倍。在ｃｃｄ芯片上采用特有的電子冷卻器，可使芯片的工作溫度降低１５℃左右。當芯片的溫度超過３５℃時，這種電子冷卻器開始工作，以使ｓ/ｎ維持不變，這對室外惡劣環境下作業的ｅｎｇ很有效。
１、ｃｃｄ信號讀出
采用雙象素讀出技術，ｄｐｒ（double pixel readout）將兩個ｃｃｄ象素的電荷（電平）加在一起，從而輸出一個兩倍電平的圖像信號。這樣，可在不加大噪波電平的同時實現圖像信號＋６db的提高。
２、 電路處理
a.黑壓縮
我們知道，γ系數對于低照度下信號(0.1~0.3v)影響很大，特別是噪波。采用黑壓縮，可以減小γ值，相對來說減小了噪波。
b.黑切割
通過切割低照度下的黑電平，可以明顯減小噪波。
c.減小帶寬
低照度下一般都伴隨著高增益。為了減小噪波，減小帶寬，或者說降低清晰度是常采用的。常用的方法是采用數字降噪技術；比較視頻場，其間差別不大，予以平均可提高ｓ/ｎ；其缺點是產生滯后(lag)。也可以對一個場內象素間進行比較平均，但這樣分辨力降低。
上面已經談到，最低照度值受多個條件制約，在一般條件下最低照度值可以由攝像機靈敏度推出：如某一攝像機的靈敏度為f8、2,000 lux(0db)，它等效于f1.4、62.5 lux(0db)，或f1.4 、7.8 lux(+18db)。其原理是每減小一檔光圈，2,000 lux就減小一倍；增益每增加＋６db，2,000 lux也減小一倍。因此在１００％信號輸出情況下該攝像機最低照度為7.8 lux，７０％信號幅度輸出情況下其最低照度為3.2 lux。
推算過程：f8→f1.4，經過５檔光圈（f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4），那么2,000 lux也應被２5除，即2,000 lux/25=62.5 lux。
增益0db→18db (6db×3)照度62.5 lux/2 3=7.8 lux。
如果攝像機ｓ/ｎ為６０db（條件：增益0db，γoff），那么在增益＋１８db下，ｓ/ｎ減小＋１８db，為４２db（γoff）。但最低照度是在γ=0.45情況下測得的，所以這時ｓ/ｎ下降到３６db。如不采取任何降噪措施，在增益＝＋３０db時，ｓ/ｎ將只有24db，嚴重影響圖像質量，這也是為什么在高增益下必然要采取相應的降噪措施以提高ｓ/ｎ的原因。
考慮到目前在低照度情況下為提高ｓ/ｎ而采取的上述措施，我們列出這種情況下的最低照度以及ｓ/ｎ的估計值：
最低照度＝2,000/2[fs/fmin]×2[g/6]×nbin×nf lux
ｓ/ｎ（最低照度）≦s／ｎ（0db）－ｇ＋１０×log10(nbin×nf) db
其中：fs為標準狀態下測量的靈敏度光圈數，fmin為最低照度下的光圈數(即攝像機的最大光圈)，ｇ為最低照度下增益值，nbin表示ｃｃｄ讀出時幾行并讀數，nf為幾場積分(降噪)。
假如fs=f8，fmin=f1.4，s/n (0db)=60db，g=24db，nbin=2，nf=1，則：
最低照度＝２ lux
ｓ/ｎ(最低照度)≦３９db
之所以取≦，是因為考慮光子噪波，一般應降低3~5db。如果在計算最低照度時ｇ取３０db，其他條件如上所述，那么計算結果為１ lux。
如上所述，由于最低照度至今還沒有國際標準，所以攝像機生產廠家在攝像機最低照度指標說明中常給出一些附加條件，如sony公司生產的ｄｘｃ－６３７：最低照度為１ lux，附加條件是＋３０db，ｄｐｒ ｏｎ，f1.7；日立公司生產的z－1800，最低照度為1.5 lux，附加條件是f1.8，增益為＋24db，ultragain（超增益）on。
作為一名電視技術人員，甚至攝像機使用人員，對攝像機最低照度要有一個全面的了解，不要只知其一，不知其二。在使用過程中，一定要搞清楚所使攝像機最低照度的使用方法，有無為提高低照度s／n而設置的開關。我們是否可從下面的一段敘述中得到啟發呢？
1996年4月＜世界廣播電視＞發表了譚樂水的一篇文章“從使用松下ｆ５６５所想到的……”，其中有一段是這樣的：“盡管ｆ５６５有許許多多優點是我贊嘆不已的，但是當我編片時，還是讓我產生兩點遺憾：一是打開１８db增益開關，在低照度條件下拍攝時，同其他攝像機相比雜波改善不大；二是色彩不夠飽和。此時正值松下電器公司在云南電視臺召開展示會，會上我向松下電器公司的工程師們提出了我們的遺憾。沒想到，當時就得到了圓滿的解決。由于我的錯誤，使得ｆ５６５最卓越的兩個功能被我這個看不懂英文說明書的人給抹殺了。ｆ５６５有一個圖像噪聲抑制開關，開關一開，雜波立刻大大降低……。”
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