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什麼是靈敏度以及為什麼靈敏度說明經常會造成誤導#

光敏感測器的響應曲線可分為三個部分:暗區、線性區和飽和區。

下圖顯示了一條典型的響應曲線。

響應曲線

響應曲線中的暗區顯示了感光元件對極低光照的響應。在暗區中,感光元件的輸出值極低、雜訊較多且難以預測。當您逐漸增加照射在感光元件上的光線時,將會發現一個點,在此點上,感光元件的輸出值會隨著光照量的增加而以可預測的方式上升。此點稱為「雜訊等效曝光值」(NEE)。

當達到 NEE 點後,感測器的輸出便呈現線性變化。該輸出將維持線性狀態,直至達到一個稱為「飽和等效曝光」(SEE)的點為止。在此點上,光強度的增加將導致感測器輸出呈現非線性增長。

感測器響應曲線中線性區段的斜率通常稱為靈敏度,其單位通常以 V/µJ/cm² 表示。在給定的光照強度下,感測器的輸出電壓越高,其靈敏度就越高。

但感測器的品質不僅取決於靈敏度。NEE 值也至關重要。由於 NEE 值較高的感測器在低光環境下會「失明」,因此 NEE 值應盡可能低。

另一個需要考慮的點是,數位相機是一個系統,而感光元件的靈敏度僅是影響相機輸出訊號的眾多因素之一。相機內的電子元件,例如類比數位轉換器和放大器,也會影響輸出訊號。

​​​​​​​在巴斯勒(Basler),我們認為相機的「靈敏度」是衡量相機性能的更佳指標。此外,我們也認為,由於我們的相機是數位式的,因此靈敏度應以 DN/µJ/cm² 為單位表示(DN 代表數位數值)。下圖顯示了一條靈敏度曲線。

響應曲線

如果相機具備增益功能(大多數相機都具備),則靈敏度將取決於增益設定。

而且,感光度這個指標只有在與相機雜訊的量測值(例如峰峰值、信噪比)一併提及時,才真正具有意義。

讓我們來舉個例子。假設您正在比較兩台相機,它們的規格如下:

第一機位:

  • 響應度 = 1 DN/µJ/cm²
  • 雜訊 = 2 DN(峰峰值)

第二台攝影機:

  • 響應度 = 2 DN/µJ/cm²
  • 雜訊 = 5 DN(峰峰值)

乍看之下,第二台相機似乎比第一台更好,因為它的靈敏度更高。然而,如果第一台相機具備增益功能,我們便可以調整增益,將靈敏度提升至第二台的水平。請注意,如果我們將增益調整到使靈敏度從第一台的水平提升至第二台的兩倍,雜訊也會隨之增加一倍。現在我們面臨以下情況:

第一機位:

  • 響應度 = 2 DN/µJ/cm²
  • 雜訊 = 4 DN(峰峰值)

第二機位:

  • 響應度 = 2 DN/µJ/cm²
  • 雜訊 = 5 DN(峰峰值)

哪台相機比較好?現在兩者的靈敏度都相同,但第一台相機的噪點較低。因此,第一台相機會是較佳的選擇。

從這一切中可以得到的教訓是:單憑感光元件的靈敏度並不能說明全部情況,而且在比較相機時,我們應確保使用相似的衡量標準。

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