主頁（http://www.by236.com）：低照度攝像機的技術要素(2)

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。

　　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生變化，從而使電荷發生移動(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。可以把電荷倍增用的水平轉送部設為100段以上，信號電荷最大可以增加1000倍。

　　EM-CCD的優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，因而我們發明了一種慢快門功能，它不進行長時間的調用，而是持續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。為了持續長時曝光，所以調用動作不能太快。現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。現已開發出了多種家用VTR技術，預計今后可裝配更高性能的DNR了。