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如何评估相机的灵敏度

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人气: 发表时间:2018-12-04【

 什么是量子效率?它是在峰值波长或某个特定波长处测量吗?信噪比和动态范围之间到底有何不同?本白皮书将一一解答这些问题,并介绍如何利用遵循EMVA1288标准的成像性能数据来比较和选择相机。


   EMVA1288标准定义了测量相机性能的各个方面、如何对它们进行测量、以及如何以一种统一的方法呈现这些测量结果。本白皮书的第一部分将介绍图像传感器的成像性能。这一部分首先会介绍一些基本概念,这些基本概念对于理解“图像传感器是如何将光转换成数字图像、并最终决定传感器的性能”而言至关重要。图1中以单个像素为例,重点突出了这些概念。


 首先,需要理解光本身所固有的噪声。光由离散粒子和光子组成,由光源产生。因为光源随机产生光子,因此在光强中会存在噪声。光物理学认为,在光强中观察到的噪声,等价于由光源产生的光子数的平方根。这种噪声称为散粒噪声。


   应当指出的是,从一个像素中观测到的光子数,将取决于曝光时间和光强。本文将光子数看作是曝光时间和光强的组合。同样,像素尺寸与传感器的光收集能力之间存在一种非线性关系,因为像素尺寸需要平方后,才可用于确定光敏区域。


   数字化光的第一个步骤是将光子转换为电子。本文将不再赘述传感器是如何完成这个转换的,而是介绍了转换效率的测量。在数字化过程中产生的电子与光子的比率,被称为量子效率(QE)。图1中所示例的传感器的量子效率为50%,因为有6个光子“落在”传感器上,产生了3个电子。


   在电子被数字化之前,它们被存储在像素内,被称为阱。阱中可以存储的电子数,称为饱和容量或阱深。如果阱接收到比其饱和容量更多的电子,那么额外的电子将无法被保存。


   一旦像素完成光的收集,便对阱中的电荷进行测量,该测量被称为信号。图1中的信号测量是用指针式仪表显示的。与该测量相关的误差被称为颞暗噪声或读出噪声。



   最后,灰度级是通过将信号值(以电子表示)换算成16位模数转换器单元(ADU)的像素值来确定的。模拟信号值与数字灰度级值之间的比率,被称为增益,并以每ADU中的电子数来测量。请勿将EMVA1288标准所定义的增益参数与“模拟到数字”转换过程中的增益相混淆。

   在评估相机性能时,通常会参考信噪比和动态范围。相机的这两项性能的测量,都要考虑信号和相机噪声之间的比率。不同之处在于,动态范围只考虑颞暗噪声,而信噪比还要考虑散粒噪声的均方根总和。

 比较相机的低光性能

   在本白皮书中,我们将考虑如车牌识别(LPR)或光学字符识别(OCR)等应用,在这类应用中,通常使用黑白成像,相机能够收集的光的数量,可能会受限于较短的曝光时间。确定解决成像问题所需要的分辨率、帧率和视场相对简单;然而要确定是否该相机具有足够的成像性能就较为困难了。