Принцип работы

Работающие по фотоэлектрическому принципу, датчики изображения преобразуют фотоны в электрический заряд. В отличие от матриц CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью), матрицы CMOS (КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) выполняют преобразование заряда в сигнал напряжения непосредственно в пикселях. Усиление напряжения и квантование создают выходное цифровое значение.

 

Современные CMOS матрицы отличаются высокой частотой кадров и выдающимся качеством изображения. В высокопроизводительных промышленных камерах эти матрицы обеспечивают точную оценку изображения. В большинстве применений CCD датчики были заменены новыми технологическими разработками.

 

Следующая иллюстрация объясняет базовые функции и основные особенности CMOS матриц.

Пиксель / Определение

1)   Фотоэлектронная емкость [e–] и емкость насыщения [e–]
Представим пиксель как колодец, а фотоэлектронную емкость как максимальное количество электронов, которые могут храниться в этом колодце. Это соответствует максимальному количеству фотонов, которые формировали бы такие электроны (насыщенность излучения). Емкость насыщения, фактически используемая для определения характеристик камеры, измеряется другим способом, непосредственно на основе полученных с помощью камеры изображений. Это значение обычно меньше фотоэлектронной емкости. Разница может вызвать обсуждения при сравнении данных матрицы и данных камеры. Высокая емкость насыщения обеспечивает возможность более длительной выдержки. При слишком длительной выдержке пикселю задается максимальное дискретное число и он не будет содержать полезной информации.

 

2)    Абсолютный порог чувствительности (AST) [e–]
Абсолютный порог чувствительности описывает минимальное количество фотонов (минимально определяемая интенсивность излучения), при котором камера может дифференцировать полезную информацию на изображении от шума. Таким образом, чем ниже этот порог, тем большую чувствительность имеет камера. Абсолютный порог чувствительности необходимо учитывать при очень низком освещении. Этот показатель является более значимым, чем просто квантовая эффективность, поскольку абсолютный порог чувствительности учитывает квантовую эффективность, темновой шум и дробовой шум (вызываемый квантовым характером фотонов). Это значение определяется по значению, где отношение сигнал-шум равно 1 (сигнал имеет такое же значение, как шум).

 

3)    Временный темновой шум [e–]
Даже если матрица не получает свет, каждый пиксель отображает (темный) сигнал. При увеличении времени выдержки и температуры в каждом пикселе формируются электроны даже при отсутствии света. Этот темный сигнал является непостоянным – это явление называется темновым шумом (измеряется в электронах). Для большинства условий применения предпочтительным является более низкий темновой шум. Шум камеры описывается темновым шумом, а также дробовым шумом фотонов и шумом квантования.

 

4)    Динамический диапазон [дБ]
Динамический диапазон (DR) представляет собой отношение между интенсивностью излучения в насыщенном состоянии и минимальным определяемым излучением. Единица измерения динамического диапазона – дБ. Камеры с высоким динамическим диапазоном могут давать более детальную визуальную информацию для темных и ярких областей, одновременно присутствующих на одном изображении. Поэтому высокий динамический диапазон особенно важен в условиях применения с яркими и темными областями на одном изображении или при быстро меняющихся условиях освещения.

 

5)    Квантовая эффективность [%]
Светочувствительная матрица выполняет преобразование фотонов в электроны. Коэффициент преобразования, называемый "квантовой эффективностью" (QE), зависит от длины волны. Чем больше фотонов преобразуется в электроны, тем больше светочувствительность матрицы и тем больше информации можно получить из изображения. Измеренные в камере значения могут отличаться от данных производителя камеры, поскольку в камере может использоваться защитное стекло или фильтры.

 

6)    Максимальное отношение сигнал-шум (SNRmax) [дБ]
Отношение сигнал-шум (SNR) представляет собой отношение между насыщенностью серого (с поправкой на насыщенность темных тонов) и уровнем шума в сигнале. Зачастую этот параметр измеряется в дБ. Отношение сигнал-шум зависит в основном от значений K и темнового шума. SNR увеличивается с увеличением количества фотонов. Максимальное отношение сигнал-шум (SNRmax) достигается при интенсивности излучения в насыщенном состоянии.

 

7)    К-фактор (дискретное число DN/e–)
В камере выполняется преобразование электронов (e–) со светочувствительной матрицы в дискретные числа (DN). Это преобразование описывается общим усилением системы K, которое измеряется как удельное дискретное число (DN) на один электрон (e–). Электроны K необходимы для увеличения насыщенности серого на 1 DN. К-фактор зависит от конструкции камеры. Немного повышенный К-фактор может обеспечить улучшенную линейность за счет емкости насыщения.

Обзор производительности и сравнительный анализ

Для обеспечения сопоставимых эксплуатационных параметров у камер различных производителей в стандарте EMVA 1288, изданном Европейской ассоциацией по машинному зрению (EMVA), определены единые объективные методы измерения и классификации для светочувствительных матриц и камер для промышленной обработки изображений.

Для примера, в брошюре Baumer по стандарту EMVA 1288 приводится информация по анализу производительности камер серий LX, CX и EX, а также информация по встроенным матрицам. Характеристики матрицы были измерены калиброванным прибором ACC3 (средство калибровки камер AEON) по стандарту EMVA 1288. В таблице приведены результаты по части квантовой эффективности, темнового шума, емкости насыщения и динамического диапазона.

 

Brochure – EMVA standard 1288: Sensor performance review