Lichtempfindlichkeit: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
Die Lichtempfindlichkeit ist ein entscheidender Parameter bei der Auswahl von Industriekameras für Bildgebung in lichtschwachen Anwendungen. Dieser Artikel präsentiert eine vergleichende Bewertung zweier Sensoren: des Sony IMX183 und des Onsemi AR2020, wie sie in den MER2-2000-19U3M bzw. MER2-2002-20U3M Kameras implementiert sind.
Durch die Analyse von Tests mit angepasstem Gain, variierenden Belichtungszeiten und digitaler Signalverstärkung zeigt die Studie die Lichtempfindlichkeit der beiden Sensoren unter anspruchsvollen Lichtbedingungen auf.
Table of contents
| Kamera-Modell | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Sensor |
Sony IMX183 Rolling Shutter CMOS |
Onsemi AR2020 Rolling Shutter CMOS |
|
Auflösung |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
|
Gesamtpixel |
20.48 MP |
20 MP |
|
Pixelgröße |
2.4 um |
1.4 um |
|
Optisches Format |
1" |
1/1.8" |
|
SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
|
Standard-Verstärkungsbereich |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
|
Verstärkung (bei Verwendung von Parameterbegrenzungen entfernen) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
|
Standard-Belichtungszeit |
12us - 1s |
26us - 1s |
|
Belichtungszeit (bei Verwendung von Parameterbegrenzungen entfernen) |
12us - 15s |
26us - 15s |
|
Pixel-Bittiefe |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Einfluss von Gain, Belichtungszeit und Digital Shift auf IMX183 vs. AR2020
Lichtempfindlichkeitstests IMX183 vs AR2020
Baseline-Test von IMX183 vs AR2020
Stellen Sie den Gain auf 0 dB ein. Dies bietet eine Ausgangsbasis ohne zusätzliches Rauschen durch Verstärkung.
Um eine grundlegende Messung der nativen Lichtempfindlichkeit zu erhalten, wurden beide Kameras bei null Gain (0 dB) getestet. Die Belichtungszeiten wurden schrittweise von 40 ms auf 50 ms erhöht, und der digitale Shift (die interne Fähigkeit des Sensors, den digitalen Ausgang zu verstärken) wurde schrittweise bis zum maximal von jedem Modell erlaubten Wert angewendet.
- Bei einer Belichtungszeit von 40 ms ohne Verstärkung lieferten beide Sensoren relativ dunkle Bilder mit eingeschränkter Sichtbarkeit der Testtafel.
- Bei einer Erhöhung der Belichtungszeit auf 50 ms und maximalem digitalen Shift zeigte der Onsemi AR2020 Sensor unter identischen Testbedingungen deutlich hellere und kontrastreichere Bilder als der Sony IMX183 Sensor.
- Der IMX183-Sensor erforderte ein stärkeres digitales Shifting und eine längere Belichtungszeit, um eine vergleichbare Bildhelligkeit zu erreichen, was auf eine relativ geringere Grundempfindlichkeit hinweist.
Dieser erste Test zeigte den Vorteil des AR2020 bei der effektiveren Erkennung niedrigerer Lichtniveaus.
Digitaler Verstärkungstest von IMX183 vs AR2020
In der nächsten Phase wurden beide Sensoren bei maximalem analogen Gain (24 dB) mit einer festen Belichtungszeit von 10 ms getestet.
Mit zunehmendem analogen Gain von 12 dB auf 24 dB zeigen beide Kameras bei jedem Gain-Schritt eine deutliche Steigerung der Bildhelligkeit. Die Details der Testtafel werden in beiden Kameras nach und nach besser sichtbar.
- 12 dB Verstärkung:
Beide Sensoren erzeugen dunkle Bilder, auf denen nur schwache Details der Testtafel sichtbar sind. Der AR2020 bietet eine etwas gleichmäßigere Helligkeit; der IMX183 wirkt insgesamt dunkler.
- 18 dB Verstärkung:
Die Helligkeit verbessert sich bei beiden Kameras erheblich, sodass die Testtafel besser sichtbar wird. Die AR2020 behält einen leichten Vorteil bei Helligkeit und Kontrast. Das Rauschen wird deutlicher sichtbar, insbesondere in dunklen Bereichen.
- 24 dB Verstärkung (Maximum):
Beide Kameras erreichen ihre hellsten Bilder mit maximaler Detailerkennbarkeit. Die AR2020 behält einen geringfügig höheren Kontrast bei. Allerdings nehmen Rauschen und Körnigkeit deutlich zu, insbesondere in Hintergrund- und kontrastarmen Bereichen, was die Klarheit feiner Details bei beiden Sensoren verringert.
Digitaler Shift-Test von IMX183 vs AR2020
Hier sind beide Industriekameras auf ihre standardmäßige maximale Verstärkung (24 dB) eingestellt, wobei sowohl die Belichtungszeit als auch die Werte für den digitalen Shift variieren.
- Maximale Verstärkung + initialer Digital Shift:
Bei einer Belichtungszeit von 10 ms und minimalem digitalen Shift (Shift 1) zeigen beide Kameras eine ähnliche Helligkeit und einen ähnlichen Kontrast, wobei die Testtafel mäßig sichtbar ist.
Bei dieser Einstellung gibt es keinen deutlichen Vorteil bei einem der Sensoren.
- Maximale Verstärkung + maximale digitale Verschiebung:
Bei 10 ms Belichtungszeit und maximaler digitaler Verschiebung (Shift 4 für IMX183, Shift 2 für AR2020) wird das Bild des IMX183-Sensors extrem hell, fast überbelichtet, während der AR2020-Sensor weiterhin gut ausbalanciert bleibt und gute Details sowie Kontrast liefert.
Dies deutet darauf hin, dass der größere Bereich der digitalen Verschiebung beim IMX183-Sensor das Bildsignal stärker verstärken kann, jedoch möglicherweise auf Kosten des Dynamikumfangs und mit dem Risiko einer Überbelichtung.
Da das Bild bei maximaler Verstärkung und digitaler Verschiebung überbelichtet erscheint, kann eine Verringerung der Belichtungszeit dazu beitragen, die Detailwiedergabe zu verbessern.
- Niedrige Belichtungszeit + maximaler Digital Shift:
Bei sehr kurzer Belichtungszeit (3 ms), maximalem Gain und maximalem Digital Shift stellen beide Sensoren Helligkeit und Diagrammdetails gut wieder her, wobei der IMX183 erneut heller erscheint als der AR2020.
Der AR2020 bewahrt mehr Tonabstufungen, während der IMX183 zu helleren Mitteltönen neigt.
- Niedrige Belichtung + gleicher digitaler Shift:
Wenn beide Kameras auf denselben digitalen Shift (Shift 2) eingestellt sind, bei sehr niedriger Belichtung und maximaler Verstärkung, werden ihre Helligkeitsniveaus ähnlich, aber der AR2020 erhält Details und Kontrast in der Regel etwas besser.
Dieser Vergleich zeigt, dass der IMX183-Sensor zwar eine stärkere digitale Verstärkung ermöglicht, der AR2020 jedoch ein besseres Gleichgewicht zwischen Helligkeit und Detailgenauigkeit bewahrt und somit die Bildqualität unter extremen digitalen Shift-Bedingungen effektiver erhält.
Erweiterung des Verstärkungsbereichs: Nutzung der Entfernung von Parametergrenzen für maximale Empfindlichkeit
Kamera-Parameter haben in der Regel werkseitig festgelegte Grenzen, um eine optimale Leistung und hohe Bildqualität zu gewährleisten. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch erforderlich sein, diese Bereiche zu erweitern. Die Funktion "Parametergrenzen entfernen" ermöglicht es, den einstellbaren Bereich bestimmter Parameter über die werkseitigen Vorgaben hinaus zu erweitern.
Wenn diese Funktion angewendet wird, wird die maximal zulässige Verstärkung wie folgt erweitert:
- MER2-2000-19U3M: von 0 dB bis 27 dB
- MER2-2002-20U3M: von 0 dB bis 50,6 dB
Um eine Überbelichtung bei sehr hoher Verstärkung (50,6 dB) zu vermeiden, wird die Belichtungszeit der MER2-2002-20U3M von 10 ms auf 0,5 ms reduziert.
Bei diesen erweiterten Gain-Stufen wird das Rauschen zu einem entscheidenden Faktor. Bilder, die mit 50,6 dB Gain auf dem AR2020 aufgenommen wurden, zeigen Körnung und Rauschen, die auch dann bestehen bleiben, wenn andere Parameter adjustiert werden.
Im Gegensatz dazu liefert der IMX183 ein saubereres, aber deutlich dunkleres Bild, dem trotz des erweiterten Gain-Bereichs die Helligkeitssteigerung fehlt.
Im letzten Testszenario, in dem beide Sensoren mit maximaler Verstärkung, digitalem Shift und Belichtungsparametern arbeiten, werden die Bilder stark überbelichtet, wodurch Details in den Lichtern und hellen Bereichen verloren gehen.
Das Ausbalancieren dieser Parameter ist entscheidend: Während das Entfernen von Begrenzungen eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit ermöglicht, verstärkt es auch das Rauschen und potenzielle Bildverschlechterungen, insbesondere beim AR2020-Sensor bei sehr hohen Verstärkungen.
Schlussfolgerungen zur Lichtempfindlichkeit von IMX183 vs AR2020
Der Onsemi AR2020 Sensor zeigt im Allgemeinen eine höhere Lichtempfindlichkeit als der Sony IMX183. Er liefert hellere, klarere Bilder mit stärkeren Kontrasten und behält mehr Details bei schlechten Lichtverhältnissen. Während er Gain und digitalen Shift effektiv verarbeitet, nimmt das Bildrauschen bei extremen Einstellungen deutlich zu.
Im Gegensatz dazu benötigt der IMX183 eine längere Belichtungszeit oder einen stärkeren digitalen Shift, um eine vergleichbare Helligkeit zu erreichen, erzeugt jedoch sauberere Bilder mit weniger Rauschen. Allerdings ist er anfälliger für Überbelichtung und den Verlust von Spitzlichter-Details, wenn er zu stark beansprucht wird.
Zusammenfassend bieten sowohl der IMX183 Sensor als auch der Onsemi AR2020 jeweils spezifische Vorteile. Die beste Wahl hängt von Ihren individuellen Anforderungen an die Bildgebung bei schlechten Lichtverhältnissen ab.
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