【安防知識網】對于在陰暗環(huán)境下如何清晰地拍攝到景物的低照度技術，可以從三方面進行說明：取光口“鏡頭和光學系”、把光轉換為電荷的“圖像傳感器”、把得到的信號進行可視性加工的“信號處理回路”。(如圖1所示)

圖1　低照度技術說明

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　　低照度攝像機的鏡頭和光學系

　　明亮的鏡頭

　　為了捕捉到低照度的影像，需要采用明亮的鏡頭，因為它是光的入口所在。鏡頭的亮度用F值(光圈)表示。F值用：F值=f(焦點距離)/ D(鏡頭的有效口徑)表示，它與口徑成反比，與焦點距離成正比。在焦點距離相同的條件下，口徑越大，F值越小，鏡頭越明亮。(如圖2所示)

圖2　鏡頭F值與有效口徑之間的關系

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　　把F值乘以2，然后把得到的數值取倒數，就可簡單地比較出鏡頭的光量比了。比如，比較F1.0和F1.4的話，則為：F1.02=1.0倒數為1/1=1;F1.42=2.0倒數為1/2=0.5。把F1.0鏡頭和F1.4進行比較，前者的圖像傳感器的采光量要比后者多出2倍以上。一般低照度攝像機通常采用F1.2左右的鏡頭。但最近也出現了采用F1.0鏡頭的攝像機。

　　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的明亮鏡頭中，也有不能按照上述計算公式來提高低照度性能的情況，這就是芯片式微型鏡頭。在這種鏡頭的圖像傳感器中，每個像素都設有一個微小的鏡頭(芯片式微型鏡頭)，周圍射入的光與圖像傳感器的圖像表面無法成直角。從某種程度上講，圖像傳感器就是基于這種考慮而設計的。大口徑鏡頭受上述情況的影響較大，微型鏡頭不能充分地采光。因此，F值過小的話，鏡頭的價格是上去了，但并不能得到期望的低照度性能。[nextpage]

　　TRUE DAY&NIGHT功能

　　光是電磁波的一種，其波長可按圖3進行分類。我們人類可以感知到的可視光線波長約為400nm～700nm。而CCD和CMOS等以硅為原料的固體攝像單元可以感知到可視光以外的各種光線，尤其是可以感知到與可視光線的波長相近的近紅外線。我們人類感知不到紅外線光，顯示器也無法顯示這種紅外線光。由于該紅外線光會損害顏色的正確再現，通常要在圖像傳感器的前面插入紅外線攔截過濾器，以便把這種紅外線光攔截掉。

圖3　光的波長分類

　　如果把近紅外線進行轉換，實行黑白顯示的話，就可實現“看到看不見的東西”了。彩色條件下，需要插入紅外線攔截過濾器，而在低照度條件下，需要拔掉紅外線攔截過濾器進行黑白顯示。本功能稱為TRUE DAY&NIGHT功能。從構造上可以分為插在相機側和插在鏡頭側2種。為后一種構造時，需要有紅外線攔截過濾器的插拔控制信號，因此主要應用在球型攝像機等鏡頭一體型的攝像機上。

　　DAY&NIGHT鏡頭

　　如前所述，光的顏色不同，波長也不同，折射率(射入或射出玻璃時，行進方向發(fā)生變化)也不同。也就是說，即便是同一鏡頭，由于光的顏色不同，其焦點位置也不同，這稱為軸上色差。CCTV鏡頭采用多個鏡頭進行組合，或是借助涂膜攔截不需要波長的光線，最終使波長不同的可視光都能聚集在同一焦點上。

　　在紅外線領域，有些鏡頭因修正不充分而導致產生色差，或是因為通常條件下插入了紅外線攔截過濾器，雖然CCD圖像表面沒有收集到焦點不同的紅外線，但在拔掉紅外線攔截過濾器后的黑白狀態(tài)下，焦點會模糊不清。

　　在近紅外線條件下，修正色差的鏡頭稱為DAY&NIGHT鏡頭。DAY&NIGHT鏡頭的實現方法各種各樣，其性能差異也很大。通常有兩種技術可實現：第一種，在原始基本設計中，變更軸上色差少的鏡頭表面的涂膜，提高近紅外線透射率的鏡頭。比不易產生色差的鏡頭材料價格便宜，但性能一般;第二種，不易產生色差的鏡頭材料(ED=使用異常分散玻璃、螢石等)，價格非常高。CCTV鏡頭一般采用第一項技術。最終需要根據照明、圖像傳感器的感光度特性來選擇鏡頭。

　　總之，照明時不具備能源特性的波長并不射入鏡頭中，因此不需要擔心產生色差。另外在圖像傳感器不具有感光度的波長區(qū)段內，焦點不吻合的光不進行光電轉換，也不需要擔心產生色差。結合這些規(guī)律，只要把握好照明的波長和圖像傳感器的感光度特性，就可選擇經濟又劃算的鏡頭了。

　　低照度攝像機的圖像傳感器

　　接下來介紹一下可把光轉換為信號的部分圖像傳感器的低照度技術。現在，CCTV攝像機使用的大都是CCD、CMOS圖像傳感器。

　　CCD圖像傳感器，是用受光單元(光電二極管)把光轉換為電荷，然后把電荷進行垂直和水平轉送，然后用輸出放大器把電荷轉換為電壓進行輸出。這種接力傳遞式的轉送結構稱為CCD。由于以前使用的都是延時單元等，最近使用的則主要是圖像傳感器。受光單元稱為像素，其數量稱為像素數。PAL電視系統使用的有效像素一般為27萬或44萬像素。

　　CMOS將光轉換為電荷的部分與CCD相同，但并不轉送轉換過的電荷，而是立即將其轉換為電壓。調用方法和制造工藝與CCD不同。[nextpage]

　　現在，在感光度和信噪比上，CCD占有優(yōu)勢。但CMOS的優(yōu)點是耗電少(約為CCD的1/10)、無污點(拍攝高亮度的物體時，監(jiān)控畫面不出現白色的豎線)、制造簡便，因此當前正在進行技術改造。特別是網絡攝像機并不受監(jiān)控系統的制約，現在出現了100萬像素以上的攝像機(兆象素攝像機)，而且今后像素數還會進一步增加，無需確保轉送電路的面積即可實現相應功能，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。

　　由于圖像傳感器是把光轉換為電荷信號的單元，因此進行該項轉換的效率會大大影響攝像機的低照度性能。實現更好的低照度性能的條件為：像素尺寸大、圖像傳感器自身的感光度高(光電二極管的性能好、電荷/電壓轉換放大器的性能好)、具有更廣波長范圍的感光度特性。

　　圖像傳感器的像素尺寸

　　只要相應放大圖像傳感器整個受光面的大小等于圖像尺寸，就可擴大圖像傳感器光電荷轉換部的像素大小等于像素單元尺寸。以CCTV攝像機攝像單元、有效像素為44萬像素(總像素數為47萬像素)的CCD為例，其圖像尺寸和像素單元尺寸如圖4所示。圖像尺寸以對角線的尺寸為基礎，以型進行表示。

圖4 圖像傳感器的像素尺寸

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　　圖4中，1/2型CCD的像素單元尺寸大約是1/4型CCD的一倍，性能也優(yōu)越許多。但一枚硅片能夠拍攝的數量較少，價格相對較高。放大像素單元尺寸的方法之一是減少像素數，但實際上27萬像素1/3型CCD的感光度接近44萬像素1/2型CCD，無法兼顧CCTV攝像機的另一個重要性能——分辨率性能。因此當前1/2型44萬像素CCD應該可以說是性能最卓越的CCD了。

　　芯片式微型鏡頭

　　關于圖像傳感器，除了像素以外，CCD需要把轉送電路等做到同一硅片上，像素單元尺寸的擴大也有個限度。在同一像素單元尺寸下，把更多的光導向像素的技術方法是采用芯片式微型鏡頭。具體是把一個個的像素分別做成微小的鏡頭，把射入像素以外的部分的光導向像素部分。這不僅局限于CCD、CMOS，對于提高普通圖像傳感器的感光度也很有幫助。

　　如上述的圖2所示，在圖像傳感器的圖像表面，光并不垂直射入中心以外的攝像面。特別是在周邊部位，采用大口徑鏡頭時情況尤其明顯。由于在該狀態(tài)下芯片式微型鏡頭不能充分聚光，在采用F1.0以下的大口徑鏡頭時，即便是把F值放小，低照度性能也未必提高到像計算的那樣高。

　　調用放大器的改進

　　把在像素中進行光—電荷轉換時得到的“電荷”轉換為“電壓”的輸出放大器，通過微小的電容進行電荷電壓轉換。每個像素的電荷通過轉送電路得以隨時轉送，作為流入到電容中的電壓使用。眾所周知，電壓V和電容C、電荷量Q的關系為：V=Q/C。在電荷量相同的條件下，電容越小，得到的信號電壓就越大。

　　但這并不是說只要有小點的電容就可以了。由于從像素得到的電荷量極少，在不減少放大器發(fā)出的各種噪音的前提下，輸出越大，噪音也一起增大。其主要噪音是暗電荷流，即便是在沒有光的狀態(tài)下，只要有熱量，就會產生電荷，進而產生暗電荷流。另外一個是輸出放大器，為了把每個像素的電荷轉換為電壓，每次都需要把電容內的電荷放空。但該操作不能完全放空電荷，殘留的電荷在互相流動時也會產生噪音等。

　　這些都是從傳感器得到較大信號輸出的障礙，因此圖像傳感器的生產商一直在降低噪音方面進行技術革新，每年的輸出量都在逐漸增大。[nextpage]

　　近紅外對應圖像傳感器

　　在前述中的TRUE DAY&NIGHT功能說明中，介紹了CCD、CMOS等圖像傳感器對近紅外線的感光度，利用這一特性，可以通過插拔紅外線攔截過濾器來實現低照度性能。最近出現了能夠進一步提高對近紅外線的感光度的CCD，這就是近紅外CCD(NIR-CCD)。(如圖5所示)

圖5　近紅外CCD

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　　由于硅是一種半透明的物質，光的波長不同，到達的深度也不同。由于近紅外線的光可以到達像素的深處，所以光和電荷之間就可進行較高效率的轉換。在DAY&NIGHT功能中配以NIR-CCD，效果則更明顯。

　　EM CCD圖像傳感器

　　除了前面所講的CCD，目前還有進一步提高圖像傳感器的感光度的手段——EM-CCD。在硅片中排列的電極上施加高電壓就會出現比較容易蓄積電荷的井。CCD的原理就是使施加在電極上的電壓逐一發(fā)生變化，從而使電荷發(fā)生移動(將EM-CCD和光電二極管組合使用，就做成了CCD圖像傳感器)。通常的圖像傳感器在轉送時需要有8V左右的電壓，在采用更高的電壓(15V左右)，形成較深的電荷井，并向其中導入信號電荷時，信號電荷在落入井內時會和硅結晶內的分子發(fā)生碰撞，信號電荷就會有明顯的增加。

　　把垂直轉送后的水平轉送部設置電荷增加功能，這就是EM-CCD圖像傳感器?？梢园央姾杀对鲇玫乃睫D送部設為100段以上，信號電荷最大可以增加1000倍。

　　EM-CCD的優(yōu)點是在輸出放大器的前面增加電荷量，無需增強輸出放大器產生的噪音就可增加信號。另一方面，像素(光電荷轉換部)產生的暗電荷流會一起增大，為了實現預期的性能，抑制暗電荷流，就需要冷卻圖像傳感器。冷卻采用的是派耳帖元件(Peltier)，但這么一來成本就有了大幅度的上升。

　　低照度攝像機的信號處理回路

　　慢快門

　　圖像傳感器通常是以1/50秒的間隔來調用影像。由于像素中得到的電荷量隨著時間的增加而增加，因而我們發(fā)明了一種慢快門功能，它不進行長時間的調用，而是持續(xù)像素中的光電荷轉換。但由于PAL系統需要從攝像機輸出為每幀1/50秒，特裝備了圖像內存，在圖像傳感器不進行調用時，持續(xù)輸出前回調用的同一圖像。

　　延長調用間隔的話，2/50秒調用一次就可提高2倍的感光度，4/50秒調用一次就可提高4倍的感光度。為了持續(xù)長時曝光，所以調用動作不能太快?，F實中可作為動畫使用的是4倍(曝光4/50秒)模式左右。

　　DNR(DIGITAL NOISE REDUCTION)

　　在CCTV相機中，信號處理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架間取一個移動平均值，它具有隨機消除噪音的功能。由于DNR可以減少畫面噪音，可相對提高信號的增幅，進而提高低光度。其弱點是輪廓較大，移動不方便。現已開發(fā)出了多種家用VTR技術，預計今后可裝配更高性能的DNR了。