Как ответить на вопрос: "А какая у ваших ПЗС камер чувствительность?"

М. Семин
26.10.2000

Казалось бы простой и конкретный вопрос. Тем более, что на всех камерах "про это" пишут. И пишут очень различные цифры от единиц и десятых долей люкса до сотой и даже тысячной да, к тому же, тут же и демонстрируют преимущества одних камер над другими.

Делается это так (сам видел): стоят рядом две, три или просто куча камер, которые работают на свои телевизионные мониторы. Потом перед всеми камерами опускают очень темный светофильтр. Результат: вся эта куча камер, кроме одной, "слепнет" и кроме ярких бликов одна чуть лучше, другая чуть хуже не видят ничего. Очень эффектно и понятно. Какие тут могут быть вопросы? Тем более, что глазом и ярких бликов не видно.

Тем не менее, этот "убедительный эксперимент" не совсем, но в значительной степени, лишь иллюзия фантастической чувствительности этой единственной камеры.

Что же есть на самом деле

На самом деле та единственная "сверхчувствительная" камера действительно имеет более высокую способность преобразовывать падающие на нее световые фотоны в выходное напряжение, но вовсе не в то видимое на глаз "сумасшедшее число раз". Здесь на зрителя "играет" два фактора.

Один заключается в том, что в поле зрения глаза, кроме объектов, находящихся за темным фильтром, попадает и весь остальной фон, который не позволяет глазу открыться в соответствующей степени. Если бы это произошло, глаз бы видел приблизительно на уровне остальных камер "из кучи".

Что же касается той единственной камеры, то она очень хорошо видит в области ближнего инфракрасного излучения, где глаз не видит вовсе, а темный светофильтр, который опускают перед всеми камерами, является темным в видимой области, а для ближнего ИК света он почти прозрачен! Таким свойством обладают многие оптические стекла. Поэтому тогда, когда надо добиться более-менее одинакового коэффициента пропускания фильтра в широком спектральном диапазоне, применяют составные фильтры. Не трудно догадаться , что в рассматриваемой установке дополнительных фильтров нет и это второй и основной фактор иллюзии "сумасшедшей чувствительности".

Камеры же "из кучи" сделаны на базе ПЗС матриц, при производстве которых были приняты специальные меры, чтобы подавить их чувствительность в области ближнего ИК, чтобы после нанесения на их поверхность мозаики светофильтров делать цветные камеры. Поэтому подавляющее большинство черно-белых "охранных" камер на самом деле являются побочным продуктом массового производства цветных "братьев".

Тем не менее, если поставить все камеры в равные условия, т.е. тогда когда они бы "работали" при белом свете (равной интенсивности во всем видимом для камер диапазоне), то и здесь та "единственная" камера вышла бы победителем, с меньшим отрывом, зато "по-честному".

Этот "честный" отрыв объясняется очередными двумя факторами.

Во-первых, ПЗС матрица в "единственной" камере действительно более чувствительная в любых смыслах этого слова. Это достигнуто тем, что к ней не применялись специальные меры для подавления чувствительности в области ближнего ИК и, возможно, приняты некоторые меры для ее улучшения. И, если соотнести значения максимальных чувствительностей в оптимальном для каждой матрицы спектральном диапазоне, то этот выигрыш составит раза полтора. При этом до физического предела осталось еще раза полтора поскольку нельзя ловить больше фотонов, чем падает на поверхность ПЗС матрицы. Но, если говорить об интегральной чувствительности по всему спектру, в котором видит ПЗС матрица той единственной камеры, то её преимущество будет уже раза в три, поскольку в области ближнего ИК её квантовая эффективность в 2.5-4 раза выше.

Во-вторых, в камере на базе этой матрицы применен дополнительный контур АРУ, который позволяет поднять сквозное усиление еще раз в 8. Совершенно понятно, что и шумы возрастут тоже, но в меньшей степени (!), что само по себе приятно, но требует дальнейших объяснений.

Вывод №1

Описанную демонстрационную установку можно охарактеризовать как "не совсем корректную" или просто как иллюзионную;
Если сравнивать чувствительность камер при равных шумах в получаемом изображении, то в зелено-голубой части спектра выигрыш оставит примерно 1.5 раза, в красной и ближней ИК области 2.5-4 раза, а по всему спектру раза в три;
Что же касается введения дополнительного усиления в той единственной камере, то для задач наблюдения такое решение вполне приемлемо, тем более с учетом того, что при увеличении усиления шумы в получаемом изображении растут медленнее!
Все камеры "из кучи" на самом деле почти одинаковые, хотя могут иметь различные паспортные данные по чувствительности. Возможно, какие-то из них визуально воспринимаются как более чувствительные за счет более "разогнанного" предусилителя или за счет того, что монитор, к которому их подключают при демонстрации, имеет более глубокое АРУ. Скорее всего, они близнецы, поскольку в них стоят одни и те же ПЗС матрицы.

И все же, как ответить на вопрос: "Какая у ваших ПЗС камер чувствительность?"

Для начала, придется ответить вопросом: "А что Вы понимаете под чувствительностью?". То, о чем говорилось выше, скорее бытовое понятие, чем техническая характеристика. Строго говоря, к слову "чувствительность" следует добавить одно из следующих определений:

предельная, которая определяется уровнем сигнала, когда он становится равным уровню шума;

при заданном отношении с/ш, которая определяется уровнем сигнала, когда достигается заданное отношение с/ш;

при наибольшем отношении с/ш, которая определяется при уровне сигнала близкому к насыщению;

контрастная, которая определяется возможностью выявлять на изображении детали минимального контраста.

Можно дополнить этот список еще и чувствительностью, которая определяется минимальным уровнем сигнала, при котором еще не ухудшается разрешение штриховой миры или разрешение становится не хуже заданного. Назовем ее здесь "чувствительность разрешения".

Во всех этих чувствительностях участвует шум, причем даже в тех, где эта величина не приведена в описании. Например, контрастная чувствительность - определяется по элементам изображения минимального контраста, которые еще "не тонут" в шуме, а "чувствительность разрешения" наиболее частым штрихам миры, которые еще "не рассыпаются" в шуме.

Тогда появляется законный вопрос: "А какой уровень шума в ваших ПЗС камерах?".

Как ответить на вопрос: "А какой уровень шума в ваших ПЗС камерах?"

Очень просто. ПЗС камеры практически не шумят.

Практически это означает то, что собственные шумы всей электроники камеры обычно не превышают 20-50 электронов, а есть ПЗС устройства, где шумы оцениваются единицами электронов или просто одним электроном, а если усреднить, то .......! Сколько же электрон "весит" в вольтах зависит от входной емкости выходного устройства ПЗС матрицы, но для наших рассуждений это не имеет значения, поскольку эти значения шумов в 50-20 или 1 электрон являются сквозной характеристикой устройства с ПЗС матрицей, приведенных к той части видеотракта, где одному захваченному фотону соответствует появление одного свободного электрона.

Что же тогда шумит в ПЗС камерах?

Ответ тоже весьма прост - фотоны.

К сожалению, они не такие уж маленькие и их, преобразованных в электроны, вмещается в каждую ячейку обычных ПЗС матриц всего-то около 40000 штук. Отсюда с.к.о. шума, определяемое как корень квадратный из числа электронов в одном пикселе элемента изображения, для данного случая равняется 200.

Тогда максимально-возможное отношение с/ш=40000/200=200 или 46 дб, которые и приводятся в паспортах на ПЗС камеры.

Отсюда, сравнивая шум в 200 электронов от полностью заполненной ячейки ПЗС матрицы, или, как её еще называют - потенциальной ямы, со сквозными шумами электроники ПЗС камеры в 1 или даже 50 электронов, следует признать, что ПЗС камера сама практически не шумит.

И вот теперь, можно начинать отвечать на главный вопрос, вспомнив, что для камер "из кучи" квантовая эффективность примерно равняется 0.45 в максимуме, а для "единственной" - 0.66.

Итак. Для ПЗС камеры "из кучи":

Предельная чувствительность составляет от 20/0.45=45 до 50/0.45=100 долетевших до матрицы штук зеленых фотонов.

Чувствительность при отношении с/ш=n, равняется n2 /0.45 штук зеленых фотонов.

Чувствительность при наибольшем отношении с/ш 40000/0.45=90000 штук зеленых фотонов.

Остальные два рода чувствительности: контрастная и "разрешения", интересуют чаще всего рентгенщиков. И в их среде существуют глубокие традиции определения этих параметров, доведенные до методик и ГОСТов, и при этом основанных на субъективных оценках типа "я вижу". Это тема для отдельного разговора.

А пока .....

Как ответить на вопрос "А какая разрядность АЦП в ваших камерах?".

Ответить на этот вопрос уже легче, можно даже вернуть этот вопрос в качестве контрольного к предыдущим рассуждениям в форме: - "Какая разрядность АЦП необходима для камеры с уровнем насыщения 40000 электронов и собственным сквозным шумом 20 электронов:

для задачи обнаружения малоконтрастных деталей;
для задачи обнаружения астрономических объектов.

Правильные ответы следующие:

Для задачи обнаружения малоконтрастных деталей достаточно иметь восьмиразрядный АЦП, поскольку даже в наилучших условиях наблюдения, когда самые яркие детали анализируемой сцены вплотную приблизились к уровню насыщения отношение с/ш равно 200. Поэтому оцифровывать изображение больше чем на 256 уровней не имеет смысла.
Для задачи наблюдения астрономических объектов ситуация принципиально иная. Здесь в поле зрения камеры могут находиться самые разнообразные по уровню светимости объекты, но, что существенно, чаще всего на черном фоне. Астронома же с точки зрения выявления объектов может заинтересовать все, что чуть-чуть выше уровня шума. Посему, если принять за нижнее значение шума уровень 20 электронов, то для матрицы с глубиной ямы 40000 электронов динамический диапазон "полезного сигнала" составит 40000/20=2000, а это уже 12 разрядов. А ведь существует матрица (и у нас она есть живьем) с "ямой" на 300 тысяч электронов! Это еще плюс 3 разряда. А, если при этом добиться шума считывания в несколько единиц электронов!

Вместо вывода или, почему у совы большие глаза?

"А это для того, чтобы лучше видеть", хотя и сказано это было по другому поводу.

Тем не менее, природа мудра, и вот в чем. Думаете, почему человек видит только при относительно высоком уровне освещенности, ведь кошки да те же совы видят почти в темноте? И дело здесь не "в технических ограничениях" - у эволюции было достаточно времени "довести механизм" зрения, если бы она (природа) поставила цель уменьшить порог восприятия. Тем не менее природа этого не сделала потому, что если сделать глаз всего лишь в несколько раз более чувствительным, - мы бы стали видеть фотонные шумы. И мы их действительно видим, когда напряженно вглядываемся в темноту, и нам при этом что-то мерещится. Вот то, что мерещится, и есть фотонный шум.

Более того, природа установила в "механизм зрения" еще одно хитрое устройство, работающее как интегрирующее звено, причем для темных объектов "постоянная времени" этого звена больше, а для ярких меньше. И все это для того, что бы у нас в глазах не мельтешило.

Другое дело, у кошки и совы. Им можно на это мельтешение "глаза закрыть", лишь бы быть сытыми. Хотя, природа и тут сделала свой ход - она оснастила ночных животных более светосильной оптикой - сравните диаметр своего зрачка и зрачка кошки в сумерках. Кроме того, у всех ночных животных большие глаза, если, конечно, они не пользуются другими органами чувств. И это тоже имеет свой технический смысл поскольку, если сравнить два одинаковых по размерности, но разных по размеру светочувствительной области фотоприемника, оснащенных соответствующими по фокусному расстоянию и одинаковыми по светосиле объективами, то при равной в этом случае удельной плотности падающей энергии больший фотоприемник будет "ловить" большее число фотонов и, следовательно, иметь меньший уровень шума (см. раздел - Как ответить на вопрос: "А какой уровень шума в ваших ПЗС камерах?").

Для тех, кто вышел из цикла, обещаем вернутся к сакраментальным вопросам рентгенщиков о контрастной чувствительности и разрешении штриховой миры в следующих статьях.