低照度夜间成像

传统的低照度相机有微光夜视仪和红外成像仪，这两种成像仪均为单色图像，色觉消失，不容易分辨景物间的颜色差别，立体感消失，分不出目标的远近，空间分辨率下降，难以观察目标细节，目标轮廓的可见性下降，对目标的判断准确性差。

低照度彩色相机作为图像处理领域的一个热点跟难点，近年来越来越多的专家学者提出了各种各样的获得低照度彩色图像的方法，虽然取得了较大进步，但是得到的彩色图像受到探测器灵敏度、照度、动态范围以及曝光时间等多种条件相互制约，且由于其昂贵的价格导致它们无法普遍应用于人们的日常生活中来。因此，开展低照度彩色相机技术研究具有极大的研究空间与价值。

图1 外部环境夜景的灰度图像及彩色图像对比图

针对低照度彩色相机在夜视环境中的应用，基于宽光谱、高响应的黑硅CMOS光电探测器，并结合Bayer滤光片阵列技术，能够有效突破传统硅探测器的波段限制，提高在极弱光照环境下的探测效率。  

基于bayer滤光片阵列的彩色技术具有构成简单紧凑、性能稳定、重量轻、成本低、无需配准等优点，可以直接实时输出彩色图像，不存在体积庞大等问题，是目前研究的重点发展方向。该相机的探测器主要有sCMOS/sCCD、EMCCD、SAPD、黑硅CMOS等类型。sCMOS/ sCCD其在可见波段有着较高的量子效率，但是其在近红外波段的探测灵敏度低，低照度环境下信噪比较差，很难实现彩色成像。EMCCD和SAPD是具有内部增益的器件，但EMCCD需要制冷，功耗较大、体积庞大，SPAD是目前研究的热点之一，但是当前半导体工艺限制（器件间的一致性），阵列中各APD间存在增益差异，限制了大面阵成像应用。而黑硅技术是在单晶硅表面制备微纳结构和掺杂了S元素，由于给硅的禁带中引入杂质能级和微纳结构相互作用，可以在宽光谱范围内降低反射率，并可以吸收红外波段的低能光子。经过处理的黑硅对红波段的光的吸收率非常高基本维持在95%以上，下图给出单晶硅和黑硅的吸收率对比图。

图2 低照度彩色相机及各部件的示意图

图3 单晶硅和黑硅的吸收率对比

基于黑硅技术的黑硅CMOS器件相较于传统的Si CCD和像管而言，其光谱响应范围更大，且覆盖了短波近红外和小部分长波近红外，并且其量子效率更高，在短波近红外部分可以达到50%左右。由于用来制备黑硅的材料是硅，兼容CMOS工艺，因此黑硅CMOS的制造成本远低于III-V族的红外探测器。下图为不同探测器的量子效率曲线对比图。夜天光包含大量波长范围780nm~1100nm的近红外辐射，夜天光对黑硅CMOS的辐射通量密度最大，约是其他两种器件的5倍。因此，基于黑硅CMOS的低照度彩色CMOS成像相机对可见光的探测效率远高于传统硅基的彩色CCD相机，并且在红外波段的响应度也很高。采用黑硅CMOS作为低照度彩色相机是最佳的技术方案。

图4 不同探测器的量子效率对比图

下图给出不同照度场景的成像效果，从不同照度下的实验测试结果可知，相机可实现低照度（10-3lx）条件下彩色成像，并且其在1×10-3lx可以实现靶标和人物的部分识别成像。

相机的室内成像效果图

相机的室外成像效果图