Lichtempfindlichkeit: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
Die Lichtempfindlichkeit ist ein entscheidender Parameter bei der Auswahl von Industriekameras für Anwendungen der Bildgebung bei schwachem Licht. Dieser Artikel präsentiert eine vergleichende Bewertung von zwei Sensoren: dem Sony IMX183 und dem Onsemi AR2020, wie sie in den Kameras MER2-2000-19U3M bzw. MER2-2002-20U3M implementiert sind.
Durch die Analyse von Tests, die durch Anpassung der Verstärkung, variierende Belichtungszeiten und digitale Signalverstärkung durchgeführt wurden, hebt diese Studie die Lichtempfindlichkeitsleistung der beiden Sensoren unter herausfordernden Lichtbedingungen hervor. Da beide Kameras mit identischen Objektiven ausgestattet waren, die auf die gleiche Blende (F2.4) eingestellt und in den optischen Eigenschaften abgeglichen wurden, können die Ergebnisse ausschließlich auf der intrinsischen Leistung der Sensoren basieren.
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
Gain, Belichtung und digitaler Shift sind Schlüsselfunktionen, die zur Fähigkeit einer Kamera beitragen, Licht einzufangen und die Helligkeit sowie die Qualität von Bildern zu beeinflussen, insbesondere bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen.
Lichtempfindlichkeitstests IMX183 vs AR2020
Baseline-Test von IMX183 vs AR2020
Stellen Sie den Gain auf 0 dB. 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 jeweils maximal zulässigen Wert angewendet.
- Bei einer Belichtungszeit von 40 ms ohne Verstärkung erschienen die Bilder beider Sensoren relativ dunkel, mit begrenzter Sichtbarkeit der Testchart-Details.
- Als die Belichtungszeit auf 50 ms erhöht und die maximale digitale Verschiebung angewendet wurde, lieferte der Sony IMX183 Sensor im Vergleich zum Onsemi AR2020 Sensor unter den gleichen Bedingungen leicht hellere und kontrastreichere Bilder.
- Der IMX183-Sensor zeigt bei starker digitaler Verschiebung und längerer Belichtungszeit eine Überbelichtung.
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 Zunahme der Bildhelligkeit. Die Details der Testtafel werden in beiden Kameras nach und nach besser sichtbar.
- 12 dB Verstärkung:
Bei diesem niedrigeren Verstärkungspegel erzeugten beide Sensoren relativ dunkle Bilder, wobei nur schwache Details der Testtafel sichtbar waren. Der OnSemi AR2020 erschien in diesem Stadium etwas dunkler als der Sony IMX183.
- 18 dB Verstärkung:
Die Erhöhung der Verstärkung auf 18 dB führte bei beiden Sensoren zu einer Verbesserung der Helligkeit, insbesondere in den helleren Bereichen der Bilder, wodurch die Details der Testtafel besser sichtbar wurden. Der Sony IMX183 zeigte einen leichten Vorteil bei der Gesamthelligkeit. Allerdings wurde das Rauschen in den dunkleren Bereichen beider Bilder deutlicher wahrnehmbar.
- 24 dB Verstärkung (Maximum):
Beide Kameras erreichen ihre hellsten Bilder mit maximaler Detailerkennbarkeit. Der IMX183 behält einen geringfügig höheren Kontrast. Allerdings nehmen Rauschen und Körnigkeit deutlich zu, wodurch die Klarheit feiner Details bei beiden Sensoren abnimmt.
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 einem minimalen digitalen Shift (Shift 1) liefert der Sony IMX183 eine höhere Helligkeit und einen höheren Kontrast. Die Details der Testtafel sind auf den IMX183-Bildern gut sichtbar, während die Bilder des OnSemi AR2020 mäßig sichtbar, aber weniger hell erscheinen.
- Maximaler Gain + maximaler Digital Shift:
Bei gleicher Belichtungszeit, aber mit maximal angewendetem Digital Shift (Shift 4 beim IMX183, Shift 2 beim AR2020), werden die Bilder des IMX183 extrem hell und zeigen eine vollständige Überbelichtung. Im Gegensatz dazu bleibt der AR2020 ausgewogen mit guter Detailwiedergabe und hohem Kontrast.
Dies deutet darauf hin, dass der größere Bereich digitaler Shifts des IMX183 zwar eine stärkere Signalverstärkung ermöglicht, dies jedoch mit dem Risiko einer Überbelichtung und einem möglichen Verlust des Dynamikumfangs einhergeht. Um dem entgegenzuwirken, kann eine Verringerung der Belichtungszeit dazu beitragen, Bilddetails zu erhalten.
- Niedrige Belichtungszeit + Maximale digitale Verschiebung:
Bei sehr kurzer Belichtungszeit (3 ms) in Kombination mit maximaler Verstärkung und digitaler Verschiebung stellen beide Sensoren Helligkeit und Diagrammdetails gut wieder her. Allerdings neigt der IMX183 erneut zu Überbelichtung im Vergleich zum AR2020, der die Tonwerte besser darstellt. Der IMX183 verschiebt sich zu helleren Mitteltönen.
- Niedrige Belichtungszeit + Gleicher Digital Shift:
Wenn beide Kameras bei niedriger Belichtungszeit und maximaler Verstärkung auf denselben Digital Shift (Shift 2) eingestellt sind, werden ihre Helligkeitsniveaus nahezu gleich. Das Rauschen bleibt unter diesen Bedingungen bei beiden Sensoren deutlich sichtbar.
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 sehr hohen Verstärkungswerten wird das Rauschen zu einem entscheidenden Faktor, der die Bildqualität beeinflusst. Bilder, die mit 50,6 dB Verstärkung auf dem OnSemi AR2020 aufgenommen wurden, zeigen sichtbares Korn und Rauschen, die auch dann bestehen bleiben, wenn andere Einstellungen adjustiert werden.
Beim Vergleich von Bildern zwischen dem Sony IMX183 und dem AR2020 bei diesen extremen Verstärkungswerten erscheinen beide etwas ähnlich; jedoch liefert der IMX183 insgesamt ein saubereres und helleres Bild.
Im letzten Testszenario wurden beide Sensoren auf ihre maximalen Gain-, Digital-Shift- und Belichtungseinstellungen eingestellt. Unter diesen Bedingungen weisen die IMX183-Bilder eine starke Überbelichtung auf, was zu einem erheblichen Detailverlust in den Lichtern und hellen Bereichen führt.
Im Gegensatz dazu zeigen die AR2020-Bilder trotz eines niedrigeren Belichtungsniveaus weiterhin Details in den dunkleren Bereichen der Testtafel.
Dies unterstreicht die Bedeutung eines ausgewogenen Einstellungsverhältnisses: Das Entfernen von Sensorbegrenzungen ermöglicht eine erhöhte Empfindlichkeit, führt jedoch auch zu mehr Rauschen und kann die Bildqualität beeinträchtigen.
Beim AR2020 führt dies zu deutlich sichtbarem Rauschen bei extremem Gain, während der IMX183 aufgrund von Überbelichtung einen vollständigen Detailverlust erleidet.
Schlussfolgerungen zur Lichtempfindlichkeit von IMX183 vs AR2020
Im Vergleich bietet der Sony IMX183 Sensor Vorteile wie eine größere Pixelgröße (2,4 µm vs. 1,4 µm) und ein leicht höheres Signal-Rausch-Verhältnis (42,08 dB vs. 39,41 dB), was zu einer besseren Lichtempfindlichkeit pro Pixel und saubereren Bildern führt. Der Onsemi AR2020 hingegen bietet einen deutlich höheren maximal konfigurierbaren Gain, was ihn in extremen Low-Light-Bedingungen, in denen eine Signalanhebung erforderlich ist, flexibler macht, auch wenn zusätzliches Rauschen eingeführt wird.
Insgesamt zeigen beide Sensoren starke Fähigkeiten mit nur marginalen Unterschieden in der Bildqualität unter Standardbedingungen. Der IMX183 kann aufgrund seiner Pixelgröße und seines SNR-Vorteils etwas hellere und sauberere Ergebnisse liefern, während der AR2020 sich auszeichnet, wenn höhere Gain-Einstellungen erforderlich sind. Die optimale Wahl hängt letztlich von den genauen Anforderungen Ihrer Low-Light-Bildgebung Anwendung ab.
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