CCD输出方式非常多种,现在只对CCTV行业常用CCD说明.
输出画素排列方式為 2n-1列 Cy+Mg, Ye+ G, Cy+Mg, Ye+ G, ......
2n+1列 Cy+ G, Ye+Mg, Cy+ G, Ye+Mg, ......
為了提高精确度每个画素皆带有两个信号位準,零点位準及画素位準,两个信号相减即為真正的画素信号.
工作信号的分析
利用Timing IC输出了信号来驱动CCD,其中V1,V2,V3,V4,SUB等信号经过驱动IC的位準转换驱动CCD的垂直传输及快门信号,因為这部份皆有完整的驱动电路无法可省,通常厂商不会更动.
水平传输H1,H2,RG為标準TTL為準,如果不足额给电也不容易看到问题,通常厂商就省略了部份电路来降低耗电量及减少空间,但不知CCD為一类比元件,这些驱动信号极為重要,如果信号电压能量不足,将造成传输动作不确实,会增加传输间的能量损失,最终将劣化影像品质.
灵敏度的分析
低线CCD ICX405AK 1700mV
高线CCD ICX409AK 950mV
现在提出Sony 1/3" CCD之灵敏度规格,可以看出灵敏度与受光面积有关,低线CCD每个画素面积较大,相对灵敏度较高. 如果希望夜视能力较好的话应该选用低线摄像机.
水平解析度的分析
為了目视判定通常使用标準解析度图表,利用摄影测定解析度.
水平解析度公式為 R=0.75*N*a
R:水平解析度, N:CCD水平画素
a:彩色滤光片经验值, 黑白=1, 补色方块=0.8至0.85, 原色方块=0.53至0.57
因此摄像机最大水平解析度為
黑白 彩色
高线 564 480
低线 372 325
所以市场上日系摄像机高线常标示570TVLine(黑白),480TVLine(彩色),低线标示380TVLine(黑白),330TVLine(彩色),不过本地厂商更利害了只要是摄影机就是420TVLine,好一点的就是480TVLine,高线的就是540TVLine,完全不知如何分析它的意义了.市面上部份摄像机专案将水平解析度提升至540TVLine是将高频讯号再次放大处理,基本上这些信号因已超过CCD的解析能力,通常在画面上若隐若现,只能用仪器观察到细微的波动,因此可说是厂商的一种商业手法,对画质并无太大的提升.
CCD尺寸的分析
CCD尺寸是指总受光面积之对角线尺寸,CCTV常用尺寸有 1/2",1/3",1/4"等,其中以1/3"使用量最多,相同解析度下尺寸越大代表灵敏度越高低照效果愈好. 通常镜头的f值是配合CCD尺寸标示,如1/3" CCD用 f 3.6镜头到1/4" CCD场合时f就变成4.3了,但到1/2" CCD场合时可能就有黑边不适合使用.因此选购镜头时一定要先了解CCD尺寸才不会选错镜头.
双快门CCD的分析
CCTV业界一直无法满足现有摄像机之动态范围,因此提出宽动态摄影机的设计方式,其原理乃是利用於同轴的两个CCD各别使用不同快门速度同时截取影像依比例混合製成单一图像的一种方法. 其中CCD所扮演的脚色是需要拥有两个感光层一上一下的排列,两组快门分别对两个感光层做电子快门调整,且水平传输速度必须提高一倍才能将两组影像讯号传输出去.至於如何决定快门速度/混合比例及合成方式这都属於后端处理器的工作在这里不做叙述.虽然这样可以提高摄影机的动态范围,但在这个需要高灵敏度的设计环境中再加入一倍的画素是相当的困难,价位也就高居不下无法普及.但相对的因為这种特殊的设计架构也演生了一些问题,因此也才有其他种类摄影机的存活空间.
宽动态摄影机之问题:
1. 高速运动的物体因摄像时间差,可能產生无法预期的错误,导致合成影像不自然.
2. 不同快门速度所摄得影像色彩饱合度不同,合成之影像色彩较不真实.
3. 两个叠合之感光层将加重漏光(Smear)现象.
彩色滤色片的分析
眼尖的读者可能会发觉如水平解析度的分析相同画素时Bayer滤色片之水平解析度将低於Mosaic滤色片,CCTV因為最高画素只有768x576,為达到最高解析度所以一直以来皆使用Mosaic排列之彩色滤色片以提高解析度.数位像机像素可以从百万到千万画素不等,因此并不特别强调实际解析度的差异,反而是Bayer原色滤光片输出三原色在不同色温下可得到更準确色讯号才是最大关键.
电子快门速度对影像品质的影响
摄像机成像的关键有两种,一种為改变入光量,另一种為改变快门大小.改变入光量是透过光圈大小来达成,必须从镜头著手成本较高.另外CCD透过SUB信号的变化达到快门速度的高低变化,快门速度可从1/50到1/100000秒,因為CCD内含电子快门不需外置成本较低.天下没有白吃的午餐电子快门速度越高会造成週围影像的糢糊,因此使用自动光圈镜头所呈现的影像通常比较优良.
OLPF对CCD元件的影响
OLPF全名為光学低通滤波器,主要的目的在滤除光线的高频部分,即抑制因条纹图案接近画素间距所產生的水波纹.
主要是利用石英晶体晶格角度滤除不必要的杂波,降低影像上的水波纹现像.通常可分為一片式(滤除水平波纹),两片式(滤除水平/垂直波纹),三片式(滤除水平/垂直/45度斜角波纹)等,通常片数愈多效果越好,但入光量会有降低的趋势.所以数位像机及家用摄像机通常為顾及画质会用较多片数OLPF,但CCTV业界最多只用两片式.
光线在进出不同介质时会有衰减的反应,因此通常OLPF会在两面间增加AR镀膜处理以增加入光量.
CCD对红外线频谱部分(750-1100nm)会有一定程度的感光能力,如果没有滤除这部分光线将会造成影像顏色不正常的状况,因此在室外太阳光或滷素灯环境皆会有影响.為了降低红外线光谱对CCD的影响,通常会在OLPF正面镀一层IR CUT镀膜,将650nm以上红外线光谱隔离,让影像正常化.
有一部份產品為了保有对850nm红外线灯之感应能力,利用镀膜技术刻意在850nm频谱开一扇窗让红外线灯之红外光可以进入称為红外线摄像机.此类產品虽然提高了附加价值,但也容易因為红外线的影响而降低了色彩的还原力,例如在阳光底下顏色容易失真,展览会场地毯永远顏色不对等问题.
现在產品竞争越来越激列為了贪图获利,有些厂商将原本光学级的OLPF换成了一般等级的OLPF,这部份不容易被发觉因為现在所有厂商都这麼做了.但有些厂商因為完全不了解OLPF真正的用途,觉得没什麼用处还不如换块玻璃片镀层IR CUT镀膜就好了,就可省下好几块钱了.
这部份大家可以用摄像机对準百叶窗,领带等纹路多的物件,如果出现彩红般的线纹,就知道这个產品省略了OLPF.
CCD与CMOS元件比较
CMOS感光理论於CCD之前即被提出,但因製程无法突破一直到CMOS晶圆代工普及后才如雨后春笋般的出现,CMOS感光元件单价低生產简单整合度高,一直是廉价市场的宠儿,但產品特性及耐久性一直无法与CCD抗衡,现在将这两种產品特点做比较以了解两者的差异性.
CCD感光元件 CMOS感光元件
製程 CCD特有製程需特殊晶圆厂生產 标準CMOS LSI製程
电源 正负电源,讯号复杂 单一电源,讯号单纯
线路复杂度 週边电路复杂设计难度高 线路简单,整合性高
灵敏度 高(低照效果好) 低
SN比 高 低(整合电路多杂讯过大)
暗电流 低 高(低照杂讯大)
漏光(smear) 光差大时会发生(已可控制) 可忽略
动态反应 好 较差
混色 可忽略 会发生
锐利度 好 较差(Bayer型式彩色滤光片)
红外线照明效果 好(Mosaic型式彩色滤光片) 差(Bayer型式彩色滤光片)
图像变形状况 无变形 有变形(NTSC/PAL共用同一元件)
