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满阱容量的意义?
满阱容量是每个像素可以容纳的最大检测信号量,是指物理上多少电子可以放入像素的存储区域,并且仍然能被准确读,这受相机像素的物理结构限制。如果一个像素饱和了,则不再继续进行光电转换,那么图像的灰度值就不能被准确地记录。我们以佳洋光电高灵敏相机:JYGD-2020BSI为例,它的像素很大,11微米,它能容纳大约10万个光电子。而更高的满阱容量通常意味着更高的动态范围。
图1:直观地显示了满阱容量和动态范围之间的关系。图1A:较低的满阱容量使图像失去了明亮的信号信息。图1B:较高的满阱容量使图像获得从弱信号到亮信号的全部信息
当图像传感器在曝光时检测到光子后,光敏硅就会将其转换为电子并存储在像素中,然后被读出。该像素所能存储的最大电子数,或是物理存储空间已满,或是灰度值达到了最大值。理想情况下,在设置好曝光时间和光照水平后,可以防止这种情况的发生。然而,如果一张图像中同时出现高低信号,那么设置的曝光时间过短或光照水平过低,就无法对图像的暗部进行有效的检测或测量,因为噪声会干扰微弱的信号。因此更高的满阱容量能够允许更长的曝光时间或更高的光照水平,以用来检测微弱信号,同时又不会使高信号饱和。有关动态范围的更多信息,请参阅“动态范围”参数部分。
如果只是在弱光的条件下工作,或者说动态范围不是您成像的主要考虑因素,那么满阱容量便不是需要重点考虑的。一些相机具有多种读出选项和模式,提供不同的帧速率、噪声特性和满阱容量。对于这些相机,通常需要进行权衡,是否可以降低满阱容量来换取更高的相机帧率和更低的读出噪声,比如在高速和弱光成像应用中,这些设置就较为理想。
满阱容量和灵敏度的关系?
阱深:CCD探测器上每个感光像元或者输出通道像元可以储存的电荷最大数目叫做阱深。一般CCD会标注两个阱深,一个是单像元(即感光像元),一个输出像元;阱深决定了可用于像元单次能接收的最大电荷信号或者输出信号。
工作原理是:若在CCD电极上施加一个适当的正电压,会形成电荷耗尽区,即能够吸引电子的势阱。电极上所加的电压越高,势阱越深,电荷留在阱内量越多;一般来说像元越大的,阱深也越大(相当于水桶容量大)。
灵敏度:对于探测器,灵敏度特性曲线可以分成三个部分:暗区域,线性区域和饱和区域,典型的灵敏度曲线如下表。
灵敏度特性曲线的暗区域表示探测器对低照度的探测情况。在暗区域的输出非常低,有可能会被噪声覆盖。当逐渐增加入射光子数,你会发现一个点,在这个点上随着光的数量不断增加,探测器的输出开始可预知地增加。这个点叫做 NEE(Noise Equivalent Exposure)。
在达到 NEE 点之后,传感器的输出开始变成线性。输出一直是线性的,直到达到另外一个点,这个点叫做 SEE(Saturation Equivalent Exposure)。在这个点上随着光照的增加传感器的输出以非线性增加。
探测器的灵敏度曲线线性部分就是通常提及的灵敏度。对于一给定数量的光,探测器的输出电压越高,它的灵敏度就越高。这样也能说明和阱深有一定的关系。
当我们关注灵敏度的时候,也不能单纯只看阱深,刚才也说了如果NEE水平线太高,那么在低光照情况下,信号也容易被噪声覆盖,这样也根本体现不出灵敏度高的优势来。
我们同时也可以通过动态范围来看,动态范围=20Xlog10(满阱容量/总噪声),动态范围越大,CCD灵敏度也越好。
简单说,满阱容量就像像素的“电荷蓄水池”,池越大,能“装下”的光线信号越多,应对复杂光线的能力就越强,最终呈现的图像在高光细节、明暗过渡等方面表现更优。
1)决定动态范围上限:动态范围是像素同时记录明暗细节的能力,满阱容量越大,像素能容纳的最大光生电荷越多,可记录的高光信号范围就越广。例如,在强光场景中,满阱容量大的像素不易因电荷溢出导致高光区域“惨白一片”,能保留更多云层、金属反光等高光细节,同时配合对暗部的感光能力,让画面明暗层次更丰富。
2)影响高光表现:当光线过强时,若像素收集的电荷超过满阱容量,会发生“电荷溢出”,可能引发相邻像素串扰(即“ blooming 效应”),导致高光区域出现色偏、模糊或细节丢失。满阱容量大的相机,在应对逆光、强光直射等场景时,高光抑制能力更强,能减少过曝风险。
3)关联成像信噪比:在相同光照条件下,满阱容量较大的像素,其可容纳的有效信号电荷更多,而暗电流等噪声相对固定,因此信号与噪声的比值(信噪比)更高,成像的纯净度更好,尤其是在高光区域,不易因噪声干扰导致画面出现杂色、颗粒感。


