Pixelサイズが異なるイメージセンサの感度：比較実験

Topaz（2.5um pixel）　vs　Sapphire 1.3M（5.3um pixel）

[はじめに]

イメージセンサの感度は、pixelの特性と、読み出し回路の性能の双方が相補的に関わるため、その良し悪しの判断は簡単ではありません。
本稿では、その一例として、Teledyne e2v の新製品Topaz（2.5um pixel）について、従来製品Sapphire 1.3M（5.3um pixel）と比較、考察した事例を紹介します。

[その１　ゲイン無調整での特性比較]

撮影対象
白黒のチャートを自社作成・印刷したもの。

撮影環境
弊社オフィス内　（オフィス照明下）

機材と主な設定

レンズ
Kowa LM3NCM-WP
1/1.8” 3.5mm/F2.4: aperture full open

Sapphire 1.3M（EV76C560）
BN sensor
1ROI: full pixel area (1280 x 1024 pixels)
Auto Gain = off, Analog gain = 1
Clamp: Auto -> fix
Defect correction: off
wait time: default (5ms)
Global Shutter, serial readout.
tiff 16bit output

Topaz 2M
BN sensor
1ROI: full pixel area (1980 x 1080 pixels)
Analog gain =1, Digital gain = 1
Clamp: Row clamp
Wait: 0ms
Monochrome raw 16bit output

作業手順
・ 露光時間を替えつつ撮影、画像ファイルを保存
・ 画像ソフトで画像を解析、対象エリアを主導で選択し、輝度の平均値を算出
・ 輝度と露光時間をグラフ化、解析し、両センサーの感度を比較

Fig.1　撮影環境の概観

Fig.2　撮影画像例
（図中にマークした2つのエリアを解析しました）

Fig.3　輝度の解析例
（解析に選んだエリアを大まかにSelectし、HistogramからMeanを読み取りました）

結果

Fig.4　Sapphire 1.3Mの露光時間～輝度特性

Fig.5　Topaz 2Mの露光時間～輝度特性

・ 輝度は、露光時間に対し線形に増加し、上限値で飽和する一般的な特性となりました。
・ 線形域の近似直線のR2は1に近く、良好に直線に乗っています。
・ 近似式の傾きを比較すると、以下の結果となりました。
gray1領域：13.904÷38.585=0.360　　gray2領域：21.895÷60.484=0.362
・ この状態での「感度」は、TopazはSapphire 1.3Mの0.36倍と見積もられます。
・ Pixel面積比 （2.5^2/5.3^2=0.22）に比べ、感度の変化は小さく抑えられています。
画素容量や量子化、集光などの、各種の効率の向上が寄与しているものと思われます。

ゲイン無調整では以上のような結果になりましたが、輝度の傾きはゲインの調整で変化します。
そこで、Topazのアナログゲインをx3とすることで、両者の輝度の傾きを同一になるように調整した場合の「感度」について、次に、比較・考察してみます。

[その２　ゲイン調整後の特性比較]

撮影対象
上と同じ白黒チャートを使用。
撮影環境起因のノイズ（印刷や照明のムラなど）を避けるため、フォーカスはあえて少し外しています。

撮影環境
LEDリング照明を用いました。外光の影響を減じるため、カメラと撮像物を段ボールで囲んでいます。

機材と主な設定
上と同じ。ただし、TopazのAnalog gainをx3に設定しています。

作業手順
上と同じ。ただし、画像解析の際に、標準偏差のデータも収集しました。

 
Fig.6　撮影環境の概観

結果

Fig.7　Sapphire 1.3Mの露光時間～輝度特性

Fig.8　Topaz 2Mの露光時間～輝度特性

・ TopazのAnalog gainをx3としたことで、輝度は両者でほぼ同一になりました。
・ 輝度バラツキはTopazの方が大きく、両者のバラツキ値の比を取ると、露光時間に関わらず1.6倍程度の値となりました。
・ 輝度バラツキを感度の目安として考えると、単純比較ではTopazの感度は1.3Mには及びません。
しかし、Pixel面積比が2.5^2/5.3^2=1/4.5に比べて、感度の比は1/1.6に抑えられていました。
このことから、性能向上を果たしていると評価できます。

感度評価の要因は、ゲイン以外にも影響因子がありますし、撮影対象や、撮影環境にも左右されます。
より詳細には、目的に応じた評価を行う必要がありますが、概ね、Topazの性能を確認できる結果となりました。

【関連製品】

・TELEDYNE e2v社CMOSイメージセンサ Sapphireシリーズ
・TELEDYNE e2v社小型産業用CMOSイメージセンサ Topaz