5.64 Мб 
Предыстория
Одна из наиболее часто путаемых тем при оценке высокоскоростных CMOS-датчиков — это понятие чувствительности. На сегодняшний день нередко используется спецификация ISOsat 12232 вместо спектральной чувствительности и шума считывания при оценке того, насколько хорошо CMOS-датчики работают в условиях съёмки при слабом освещении. Более того, часто бывает так, что датчик с высоким ISO на практике работает хуже при слабом свете, чем датчик с низким ISO. Ниже объясняется источник этой путаницы, а затем приводятся ключевые технические характеристики, которые количественно определяют, насколько хорошо датчик подходит для съёмки при низкой освещённости.
Спецификация ISOsat
Начнём с рисунка выше, где два разных датчика снимают таблицу и лампу при одинаковых условиях освещения. Если бы вам нужно было выбрать датчик с лучшей работой при слабом свете, вы бы сразу выбрали датчик B, потому что изображение явно ярче. Однако может удивить тот факт, что характеристики датчиков A и B при слабом освещении на самом деле одинаковы! Технически говоря, нельзя по этому примеру определить, какой датчик лучше работает, но датчик B просто достиг насыщения гораздо быстрее. Этот пример подчёркивает происхождение и важность дальнейшего обсуждения того, почему ISOsat легко воспринимается как ориентир.
Существует несколько типов измерения ISO, но наиболее часто используемый для высокоскоростных CMOS-датчиков называется методом, основанным на насыщении, и определяется уравнением:
ISOsat = 78 / (Время экспозиции × Интенсивность падающего излучения, люкс)
В этом уравнении Exposure Time — это время накопления кадра, а Incident Lux — количество света, попадающего на пиксель (от источника дневного света или лампы накаливания). Поэтому параметры в знаменателе увеличивают до тех пор, пока пиксель не достигнет насыщения, после чего эти значения подставляют в формулу, и получается ISOsat. Это число просто показывает, как быстро датчик достигает насыщения, и потому может рассматриваться как мера кажущейся чувствительности или яркости “из коробки”, а не как показатель реальной или научной чувствительности, то есть отклика датчика, который определяет, насколько эффективно он преобразует фотоны в электроны.
Если нужно повысить ISOsat, можно воспользоваться несколькими способами. Например, можно: снизить ёмкость полного колодца заряда; выводить на экран только младшие биты;
или увеличить отклик пикселя.
Часто первые два параметра уменьшают, чтобы создать впечатление более высокой чувствительности. Это действительно делает изображение ярче при стандартных настройках, но напрямую ухудшает соотношение сигнал/шум. С другой стороны, увеличение отклика пикселя — единственный из этих трёх факторов, который влияет на реальную чувствительность датчика с точки зрения преобразования фотонов на входе в электроны на выходе и, следовательно, на общую производительность сенсора.
Поэтому рассмотрим, как формируется сигнал и как отклик влияет на работу при слабом свете.
Как формируется сигнал?
Когда фотоны попадают на поверхность пикселя, в нём возникает сигнал в виде электронов, то есть заряда. Скорость образования электронов напрямую пропорциональна числу и типу падающих фотонов на единицу площади и времени — это называется потоком фотонов (Φλ). Поток фотонов вместе с квантовой эффективностью (QEλ), коэффициентом заполнения (FF) и площадью пикселя (PA) определяют, сколько сигнала может быть создано за определённое время. Следует отметить, что QEλ — это отношение числа созданных электронов к числу фотонов данной длины волны λ; PA — это полная площадь отдельного пикселя, а FF — отношение активной, или светочувствительной, площади пикселя ко всей площади пикселя. Во многих случаях QE и FF объединяют в один параметр QEλ × FF. Схема 1 показывает, как можно рассчитать, сколько электронов создаётся заданным количеством фотонов, просто зная, сколько фотонов попало на пиксель.
Расчёт отклика пикселя
Величина отклика пикселя напрямую определяется скоростью, с которой данный поток фотонов преобразуется в сигнал в виде электронов. Ключевые параметры — это площадь пикселя, квантовая эффективность и коэффициент заполнения. Поэтому можно быстро сравнить отклик CMOS-датчиков на заданной длине волны λ с помощью уравнения 2:
Чувствительность [e− фотонов / с мкс·мкм²] = Φλ [фотонов / с мкс·мкм²] × PA (мкм²) × QEλ [e− / фотонов] × FF [Неактивная площадь пикселя / Активная площадь пикселя]
Кроме прямого расчёта по формуле выше, наиболее удобный способ сравнения датчиков по отклику — наложить друг на друга их спектральные кривые, предоставленные производителем, как показано на рисунке 2. Эти графики точно описывают, насколько датчик чувствителен к свету в видимом и ближнем ИК-диапазоне, в единицах ампер сигнала на ватт падающего света. Это напрямую соответствует скорости образования электронов относительно скорости потока фотонов. Обратите внимание, что серая кривая соответствует монохромному пикселю, а красная, зелёная и синяя кривые — отклику цветных пикселей.
Работа при слабом освещении
Хотя вышеприведённое обсуждение даёт количественное понимание отклика датчика, мы всё ещё не знаем, насколько хорошо датчик будет работать в условиях низкой освещённости. Чтобы лучше понять этот аспект, нужно определить, способен ли сгенерированный сигнал, полученный от слабого светового сигнала, превысить шум считывания датчика.
Шум считывания, также называемый темповым тёмным шумом, — это шум, присутствующий на датчике даже без падающего света. Следовательно, он определяет, какое количество электронов должно быть создано потоком фотонов, чтобы сформировать различимый электрический сигнал. На рисунке 3 видно, что по мере увеличения шума считывания датчика изображение становится всё менее различимым на фоне шума.
Для высокоскоростных CMOS-датчиков шум считывания обычно указывается отдельно от частоты кадров и разрешения сенсора и приводится одним числом, как правило в диапазоне от 1 до 60 электронов, в RMS-значении или медиане. Помимо шума считывания, важным параметром является абсолютный порог чувствительности (AST), который напрямую показывает, сколько фотонов требуется для создания сигнала, равного уровню шума. По сути, любой входной сигнал, то есть слабый световой сигнал, меньший, чем AST датчика, не может быть отличён от шума.
Эта идея показана на схеме 2, где слабый световой импульс подаётся на пиксель с низким шумом считывания (красная кривая) и на пиксель с высоким шумом считывания (синяя кривая). Обратите внимание, что сигнал в пикселе с красной кривой имеет чётко выраженный отклик, тогда как синяя кривая явно его скрывает.
Заключение
В этом примечании к применению было показано, почему спецификация ISOsat является плохим показателем для оценки чувствительности в научных задачах съёмки при слабом освещении. Кратко: ISOsat показывает, как быстро датчик достигает насыщения, а не даёт точную оценку того, сколько электронов создаётся относительно падающего потока фотонов и шума считывания датчика. Тем, кто сравнивает высокоскоростные CMOS-датчики по общей эффективности изображения, настоятельно рекомендуется изучить стандарты и рекомендации EMVA 1288, а также то, как они влияют на конкретное приложение и/или метод съёмки.
