イメージセンサの性能・評価方法一覧 【感度・飽和電子数等】

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イメージセンサでよく使われる性能・評価方法をまとめました.イメージセンサの勉強や計測などで役に立ててもらえれば幸いです.

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性能・評価方法一覧 (感度・飽和電子数等)

感度

感度はセンサ (画素)に入る光に対して出力される信号の大きさのことです.基本的に感度が大きいほど暗い場合でもより高いS/N比を持つ信号を得ることができます.感度としては変換効率や量子効率で比較されることが多いです.

感度を比較する際は同じ条件で,また電子数・光電流・アナログ信号電圧・デジタル信号のどれで比較するかも考えなければいけません.またカメラシステムとしては感度F値依存や撮像面位置依存などにより感度が低下することも考慮する必要があります.

ISO感度

ISO感度はカメラに入った光をカメラ内でどれだけ増幅させるかを示す指標です.ISO100からISO200にする2倍増幅させます.しかしの信号だけでなくノイズも増やしてしまうため気を付ける必要があります.

ISO感度のISOはInternational Organization for Standardization(国際標準化機構)の略です.

開口率

開口率 (fill factor)は画素の大きさに対するPD (フォトダイオード)の開口している部分の比率のことです.開口率が高いほど基本的に感度も高くなるため,感度の指標の一つとして使われることもあります.

リニアリティ特性(線形特性)

図 リニアリティ特性

リニアリティ特性は上図のように輝度を上げながら撮影した際の出力をグラフにして,入力に対して出力がリニアリティかどうかを示す特性です.リニアリティを補正する処理としてガンマ補正があります.

コンバージョンゲイン

コンバージョンゲイン (CG: conversion gain)は電荷電圧変換ゲインであり,電荷1つあたり何Vの電圧に変換して出力するかを示す,感度の指標の一つです.コンバージョンゲインは信号と光ショットノイズの関係から求めることができます.

出力信号はコンバージョンゲインを\(G_C\),発生した電荷の数を\(N\)とすると,\(V_S=G_CN\)となります.このときに標準的に発生する光ショットノイズの電子数はショットノイズの特性から\(\sqrt{N}\)となるたね,標準的なショットノイズの出力電圧は\(V_{SN}=G_C\sqrt{N}\)となります.以上からコンバージョンゲイン\(G_C\)は以下のようになります.

$$G_C=\frac{V^2_{SN}}{V_S}$$

\(V_{SN}\),\(V_S\)は計測から求めることができます.一定の光をセンサに照射して複数回撮影します.そしてその標準偏差はバラつきを示し,光ショットノイズと光に依存しないランダムノイズの成分が入っています.光が強い場合はショットノイズが支配的になるため,ランダムノイズを無視することができるので,標準偏差がそのままショットノイズ\(V_{SN}\)になります.信号\(V_S\)は複数枚撮影した信号で平均するばショットノイズとランダムノイズが抜けた信号となることで得られます.

飽和電子数

飽和電荷量 FW (Full Well)は画素内でため込むことができる最大の電子数を示し,高いほど強い光でも飽和せずに信号として取り出すことができ,飽和電圧\(V_{sat}\)とコンバージョンゲイン\(G_C\)から以下のように導くことができます.

$$V_{sat}=FW\times CG$$

図 飽和電圧

リニア飽和電子数

リニア飽和電子数はリニアリティ特性で線形な領域で最大まで電荷をため込むことができる電子数のことです.

図 リニア飽和電子数

ダイナミックレンジ

ダイナミックレンジは光を電気信号に変換できる光の強さの範囲 (レンジ)を示します.図ではSNR (SN比)が1から飽和するまでのレンジをダイナミックレンジとしています.

図 ダイナミックレンジ

QE (Quantum Efficient)

量子効率 ( QE:Quantum Efficient )は画素に照射された光子が電子として出力された効率のことです.量子効率はカラーのイメージセンサであれば分光特性としても用いられます.量子効率は分光器等を用いて計測できます.

図 量子効率

PDE (Photon Detection Efficiency)

PDE (Photon Detection Efficiency)は入射した光子を検出する比率を示す特性です.

まとめ

  • 感度:センサ (画素)に入る光に対して出力される信号の大きさ
  • ISO感度:信号をカメラ内でどれだけ増幅させるかを示す指標
  • 開口率:画素の大きさに対するPD (フォトダイオード)の開口している部分の比率
  • リニアリティ特性(線形特性):光に対して出力がリニアリティかを示す特性
  • コンバージョンゲイン:電荷1つあたり何Vの電圧に変換するかを示すゲイン
  • 飽和電子数:画素内でため込むことができる最大の電子数
  • リニア飽和電子数:線形な領域で最大まで電荷をため込むことができる電子数
  • ダイナミックレンジ:光を電気信号に変換できる光の強さの範囲
  • QE (Quantum Efficient):画素に照射された光子が電子として出力された効率
  • PDE (Photon Detection Efficient):入射した光子を検出する比率

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