低照度夜間成像

傳統(tǒng)的低照度相機(jī)有微光夜視儀和紅外成像儀，這兩種成像儀均為單色圖像，色覺消失，不容易分辨景物間的顏色差別，立體感消失，分不出目標(biāo)的遠(yuǎn)近，空間分辨率下降，難以觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)，目標(biāo)輪廓的可見性下降，對(duì)目標(biāo)的判斷準(zhǔn)確性差。

低照度彩色相機(jī)作為圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)跟難點(diǎn)，近年來越來越多的專家學(xué)者提出了各種各樣的獲得低照度彩色圖像的方法，雖然取得了較大進(jìn)步，但是得到的彩色圖像受到探測(cè)器靈敏度、照度、動(dòng)態(tài)范圍以及曝光時(shí)間等多種條件相互制約，且由于其昂貴的價(jià)格導(dǎo)致它們無法普遍應(yīng)用于人們的日常生活中來。因此，開展低照度彩色相機(jī)技術(shù)研究具有極大的研究空間與價(jià)值。

圖1 外部環(huán)境夜景的灰度圖像及彩色圖像對(duì)比圖

針對(duì)低照度彩色相機(jī)在夜視環(huán)境中的應(yīng)用，基于寬光譜、高響應(yīng)的黑硅CMOS光電探測(cè)器，并結(jié)合Bayer濾光片陣列技術(shù)，能夠有效突破傳統(tǒng)硅探測(cè)器的波段限制，提高在極弱光照環(huán)境下的探測(cè)效率。  

基于bayer濾光片陣列的彩色技術(shù)具有構(gòu)成簡(jiǎn)單緊湊、性能穩(wěn)定、重量輕、成本低、無需配準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，可以直接實(shí)時(shí)輸出彩色圖像，不存在體積龐大等問題，是目前研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。該相機(jī)的探測(cè)器主要有sCMOS/sCCD、EMCCD、SAPD、黑硅CMOS等類型。sCMOS/ sCCD其在可見波段有著較高的量子效率，但是其在近紅外波段的探測(cè)靈敏度低，低照度環(huán)境下信噪比較差，很難實(shí)現(xiàn)彩色成像。EMCCD和SAPD是具有內(nèi)部增益的器件，但EMCCD需要制冷，功耗較大、體積龐大，SPAD是目前研究的熱點(diǎn)之一，但是當(dāng)前半導(dǎo)體工藝限制（器件間的一致性），陣列中各APD間存在增益差異，限制了大面陣成像應(yīng)用。而黑硅技術(shù)是在單晶硅表面制備微納結(jié)構(gòu)和摻雜了S元素，由于給硅的禁帶中引入雜質(zhì)能級(jí)和微納結(jié)構(gòu)相互作用，可以在寬光譜范圍內(nèi)降低反射率，并可以吸收紅外波段的低能光子。經(jīng)過處理的黑硅對(duì)紅波段的光的吸收率非常高基本維持在95%以上，下圖給出單晶硅和黑硅的吸收率對(duì)比圖。

圖2 低照度彩色相機(jī)及各部件的示意圖

圖3 單晶硅和黑硅的吸收率對(duì)比

基于黑硅技術(shù)的黑硅CMOS器件相較于傳統(tǒng)的Si CCD和像管而言，其光譜響應(yīng)范圍更大，且覆蓋了短波近紅外和小部分長(zhǎng)波近紅外，并且其量子效率更高，在短波近紅外部分可以達(dá)到50%左右。由于用來制備黑硅的材料是硅，兼容CMOS工藝，因此黑硅CMOS的制造成本遠(yuǎn)低于III-V族的紅外探測(cè)器。下圖為不同探測(cè)器的量子效率曲線對(duì)比圖。夜天光包含大量波長(zhǎng)范圍780nm~1100nm的近紅外輻射，夜天光對(duì)黑硅CMOS的輻射通量密度最大，約是其他兩種器件的5倍。因此，基于黑硅CMOS的低照度彩色CMOS成像相機(jī)對(duì)可見光的探測(cè)效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基的彩色CCD相機(jī)，并且在紅外波段的響應(yīng)度也很高。采用黑硅CMOS作為低照度彩色相機(jī)是最佳的技術(shù)方案。

圖4 不同探測(cè)器的量子效率對(duì)比圖

下圖給出不同照度場(chǎng)景的成像效果，從不同照度下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，相機(jī)可實(shí)現(xiàn)低照度（10-3lx）條件下彩色成像，并且其在1×10-3lx可以實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)和人物的部分識(shí)別成像。

相機(jī)的室內(nèi)成像效果圖

相機(jī)的室外成像效果圖