主頁（http://www.by236.com）：低照度攝像機的技術要素 【中國集群通信網】對于在陰暗環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 點擊查看大圖 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 點擊查看大圖 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。 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�，F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。 現在，在感光度和信噪比上，CCD占有優勢。但CMOS的優點是耗電少(約為CCD的1/10)、無污點(拍攝高亮度的物體時，監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圖像傳感器就可發揮出優于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。
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