イメージセンサの性能・評価方法一覧【感度・飽和電子数等】

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．

性能・評価方法一覧 (感度・飽和電子数等)
まとめ

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)

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．