如何評(píng)估相機(jī)的靈敏度
什么是量子效率?它是在峰值波長(zhǎng)或某個(gè)特定波長(zhǎng)處測(cè)量嗎?信噪比和動(dòng)態(tài)范圍之間到底有何不同?本白皮書將一一解答這些問題,并介紹如何利用遵循EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)的成像性能數(shù)據(jù)來比較和選擇相機(jī)。
EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)量相機(jī)性能的各個(gè)方面、如何對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量、以及如何以一種統(tǒng)一的方法呈現(xiàn)這些測(cè)量結(jié)果。本白皮書的第一部分將介紹圖像傳感器的成像性能。這一部分首先會(huì)介紹一些基本概念,這些基本概念對(duì)于理解“圖像傳感器是如何將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像、并最終決定傳感器的性能”而言至關(guān)重要。圖1中以單個(gè)像素為例,重點(diǎn)突出了這些概念。
首先,需要理解光本身所固有的噪聲。光由離散粒子和光子組成,由光源產(chǎn)生。因?yàn)楣庠措S機(jī)產(chǎn)生光子,因此在光強(qiáng)中會(huì)存在噪聲。光物理學(xué)認(rèn)為,在光強(qiáng)中觀察到的噪聲,等價(jià)于由光源產(chǎn)生的光子數(shù)的平方根。這種噪聲稱為散粒噪聲。
應(yīng)當(dāng)指出的是,從一個(gè)像素中觀測(cè)到的光子數(shù),將取決于曝光時(shí)間和光強(qiáng)。本文將光子數(shù)看作是曝光時(shí)間和光強(qiáng)的組合。同樣,像素尺寸與傳感器的光收集能力之間存在一種非線性關(guān)系,因?yàn)橄袼爻叽缧枰椒胶?,才可用于確定光敏區(qū)域。
數(shù)字化光的第一個(gè)步驟是將光子轉(zhuǎn)換為電子。本文將不再贅述傳感器是如何完成這個(gè)轉(zhuǎn)換的,而是介紹了轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量。在數(shù)字化過程中產(chǎn)生的電子與光子的比率,被稱為量子效率(QE)。圖1中所示例的傳感器的量子效率為50%,因?yàn)橛?個(gè)光子“落在”傳感器上,產(chǎn)生了3個(gè)電子。
在電子被數(shù)字化之前,它們被存儲(chǔ)在像素內(nèi),被稱為阱。阱中可以存儲(chǔ)的電子數(shù),稱為飽和容量或阱深。如果阱接收到比其飽和容量更多的電子,那么額外的電子將無法被保存。
一旦像素完成光的收集,便對(duì)阱中的電荷進(jìn)行測(cè)量,該測(cè)量被稱為信號(hào)。圖1中的信號(hào)測(cè)量是用指針式儀表顯示的。與該測(cè)量相關(guān)的誤差被稱為顳暗噪聲或讀出噪聲。
最后,灰度級(jí)是通過將信號(hào)值(以電子表示)換算成16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元(ADU)的像素值來確定的。模擬信號(hào)值與數(shù)字灰度級(jí)值之間的比率,被稱為增益,并以每ADU中的電子數(shù)來測(cè)量。請(qǐng)勿將EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)所定義的增益參數(shù)與“模擬到數(shù)字”轉(zhuǎn)換過程中的增益相混淆。
在評(píng)估相機(jī)性能時(shí),通常會(huì)參考信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。相機(jī)的這兩項(xiàng)性能的測(cè)量,都要考慮信號(hào)和相機(jī)噪聲之間的比率。不同之處在于,動(dòng)態(tài)范圍只考慮顳暗噪聲,而信噪比還要考慮散粒噪聲的均方根總和。
比較相機(jī)的低光性能
在本白皮書中,我們將考慮如車牌識(shí)別(LPR)或光學(xué)字符識(shí)別(OCR)等應(yīng)用,在這類應(yīng)用中,通常使用黑白成像,相機(jī)能夠收集的光的數(shù)量,可能會(huì)受限于較短的曝光時(shí)間。確定解決成像問題所需要的分辨率、幀率和視場(chǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單;然而要確定是否該相機(jī)具有足夠的成像性能就較為困難了。
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