主頁（http://m.by236.com）：淺析低照度攝像機的技術發展

對于CCTV攝像機來說，最重要的性能是分辨率和感光度（低照度性能）。由于CCTV攝像機可以發揮人眼的作用，幫助人類進行安全防范，因此，各大生產商都在努力提高其性能。近年來出現了一種高性能攝像機，它可以在黑暗環境中拍攝到人肉眼看不到的景物。本文就與大家探討一下這種可實現低照度性能的技術。

 
文/日本JVC株式會社　郷田秀章

拍攝物的最低照度
在我們日常生活環境下的亮度單位用lx（勒克斯）表示，如果用lx表示我們身邊環境的亮度，則如表1所示。

攝像機的低照度性能標準用拍攝物的最低照度來表示，這可以采用灰度圖進行測試。在色溫3100Ｋ的環境下降低拍攝物的光度，在灰度圖中央的窗口部（白色部位）達到指定的視頻電平（50％）時，讀取其光度值（lx）。數值越小，則表示感光度越好，可以清楚地拍攝陰暗環境下的景物。如果光度值在上述亮度以下，則可用攝像機拍攝到影像（表1為標準值，實際設置時需要事先測定現場的光度）。

 
有的生產商在測定時把視頻電平設定在20％以下，這么一來，即便有些攝像機具有表1所示亮度以下的最低拍攝物光度性能，所拍攝到的影像也不會清晰。選擇攝像機時不能單純地看lx值，還需要把測定時的視頻電平統一起來，否則無法比較攝像機的好壞。

低照度攝像機的技術要素
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）

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）

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。

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。
(中國集群通信網 | 責任編輯：陳曉亮)