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了解相机的灵敏度–看数字

了解数据表中的所有单位和术语并不总是那么容易或直观,特别是如果您的专业领域不是成像或光子学。 这篇博客文章重点介绍了灵敏度单位,并解释了Lumenera为什么以特定方式说明灵敏度以及它与EMVA 1288标准的关系。 在解释这两个单位的物理性质时,它还采用了易于遵循的方法来计算两个单位的数学关系。 最后,将在光子数量及其与现实世界的关系之间得出一些相似之处。

了解相机的灵敏度–看数字

用数字说明灵敏度

EMVA 1288将相机的绝对灵敏度阈值定义为将像素值增加1所需的光子数量。 但是,这没有考虑像素的大小。 如果两个像素需要相同数量的光子才能达到其绝对灵敏度阈值,并且一个像素的大小是另一个像素的两倍,则较大的像素实际上需要的光较少,并且比较小的像素要灵敏。 这就是为什么Lumenera用数位(DN)除以每平方厘米纳焦耳为单位说明灵敏度的原因:

了解相机的灵敏度–看数字

DN:数位
nJ:纳焦耳
cm2:平方厘米

该单位是EMVA 1288标准采用的,它考虑了像素的大小,以便可以更准确地比较相机。 换句话说,它对像素区域的灵敏度测量标准化,以比较具有不同像素大小的相机。

一个实际的例子

在Lumenera Lt545RM黑白相机上,一个像素增加1 DN(在8-bit时)需要多少个波长为540 nm的光子?

我们首先计算光子(Ep)的能量,公式为:

了解相机的灵敏度–看数字

其中h是普朗克常数,c是光速,λ是指定的波长,对于此示例,λ= 540 [nm],光子的能量为:

了解相机的灵敏度–看数字
了解相机的灵敏度–看数字

从数据表中,我们知道Lumenera Lt545RM的灵敏度(S)为:

了解相机的灵敏度–看数字

这意味着要将读数增加一个数字,我们需要每平方厘米五分之一毫焦耳:

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将能量单位转换为焦耳,将面积转换为平方微米,我们有:

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我们要解决的方程是:

了解相机的灵敏度–看数字

我们试图解出n,光子的数量,其中Ep是单个光子的能量(等式3),Ap是单个像素的面积(在数据表中找到)。换句话说,光子数乘以每个光子的能量除以使像素值增加一的像素面积。

由于方程6和7都等于1DN,因此我们可以将它们组合起来,得到:

了解相机的灵敏度–看数字

两个方程的单位互相抵消,使我们可以轻松地分离出n:

了解相机的灵敏度–看数字

我们可以带入Ep(上面计算的)和Ap 的值来求解n, 像素面积 Ap值可以从数据表(3.45 x 3.45平方微米:11.095)中找到

了解相机的灵敏度–看数字
了解相机的灵敏度–看数字

通过此示例,我们可以确定需要60个波长为540纳米的光子才能将像素的读数增加1。

将光子数量乘以该波长处相机的量子效率(QE),还会显示从传感器的硅晶格中释放出的电子数。在这种情况下,数据表表明540 nm处的QE为69%,这意味着60个光子将释放40个电子,从而导致读出信号中的数字位数增加1。

透视光子

从某种角度看,在一个没有月亮的夜晚,乡村的天空阴云密布,没有人造光,人类可能将其称为漆黑一片,每毫秒大约有10,000个光子降落在1平方厘米的区域上。在相同条件下,如果将比例尺缩小为平方微米,则每秒大约有0.1个光子降落在该区域上。因此,如果我们要使用不带镜头的Lumenera Lt545RM来测量光线,则需要54秒的曝光时间才能将像素值增加1(如果所有光子的波长均为540 nm)。

如果将光调高到一根蜡烛的亮度,在原本漆黑的房间里,则距离蜡烛1米的同一平方厘米将在1毫秒内将100,000,000个光子降落在上面。如果我们再次将光子着陆区域缩小到1平方微米,那么每毫秒将有1个光子着陆在该区域上。以Lumenera Lt545RM为例,假设卸下镜头,每毫秒将有大约11个光子落在每个像素上。如果所有光子的波长均为540 nm,则需要5.5 ms的曝光时间才能将像素值增加1。

用每一数字(DN)的光子数来测量灵敏度可能比每平方厘米纳焦耳的数字光子更直观,但是并不能说明全部问题。像素面积的归一化对于比较具有不同像素大小的相机至关重要。

了解更多

如果您有任何关于相机灵敏度的问题,或者想知道哪种相机最适合你的特定应用,请与我们的相机销售代表联系:sales@znjtech.cn

以上内容原文摘自https://www.lumenera.com ,由子健电子(上海)有限公司翻译整理, 转载请注明。

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