Sensibilidad a la luz: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
La sensibilidad a la luz es un parámetro crítico en la selección de cámaras industriales para aplicaciones de imágenes en condiciones de poca luz. Este artículo presenta una evaluación comparativa de dos sensores: el Sony IMX183 y el Onsemi AR2020, implementados respectivamente en las cámaras MER2-2000-19U3M y MER2-2002-20U3M.
Mediante el análisis de pruebas realizadas ajustando la ganancia, variando los tiempos de exposición y la amplificación digital de la señal, este estudio destaca el rendimiento de sensibilidad a la luz de los dos sensores bajo condiciones de iluminación exigentes. Dado que ambas cámaras estaban equipadas con lentes idénticos ajustados a la misma apertura (F2.4) y con características ópticas coincidentes, los resultados pueden basarse únicamente en el rendimiento intrínseco de los sensores.al analizar pruebas realizadas ajustando la ganancia, variando los tiempos de exposición y la amplificación digital de la señal, el estudio revela la sensibilidad a la luz de los dos sensores bajo condiciones de iluminación exigentes.
Table of contents
| Modelo de Cámara | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Sensor |
Sony IMX183 Rolling Obturador CMOS |
Onsemi AR2020 Rolling Obturador CMOS |
|
Resolución |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
|
Píxeles totales |
20.48 MP |
20 MP |
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Tamaño de píxel |
2.4 um |
1.4 um |
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Formato óptico |
1" |
1/1.8" |
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SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
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Rango de ganancia estándar |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
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Ganancia (si se utiliza Eliminar límites de parámetros) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
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Tiempo de exposición estándar |
12us - 1s |
26us - 1s |
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Exposición (si se utiliza Eliminar límites de parámetros) |
12us - 15s |
26us - 15s |
|
Profundidad de bits de píxel |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Influencia de la ganancia, la exposición y el desplazamiento digital en IMX183 vs AR2020
La ganancia, la exposición y el desplazamiento digital son características clave que contribuyen a la capacidad de una cámara para capturar la luz e influir en el brillo y la calidad de las imágenes, especialmente en condiciones de iluminación variables.
Pruebas de sensibilidad a la luz IMX183 vs AR2020
Prueba de referencia de IMX183 vs AR2020
Establezca la ganancia en 0dB. Esto proporciona una referencia sin ruido adicional por amplificación.
Para establecer una medida fundamental de la sensibilidad nativa a la luz, ambas cámaras se probaron con ganancia cero (0 dB). Los tiempos de exposición se incrementaron gradualmente de 40 ms a 50 ms, y el desplazamiento digital (la capacidad interna del sensor para amplificar la salida digital) se aplicó progresivamente hasta el máximo permitido por cada modelo.
- Con una exposición de 40 ms sin ganancia, las imágenes de ambos sensores parecían relativamente oscuras, con una visibilidad limitada de los detalles de la carta de prueba.
- Cuando se aumentó la exposición a 50 ms y se aplicó el máximo desplazamiento digital, el sensor Sony IMX183 produjo imágenes ligeramente más brillantes y con mayor contraste en comparación con el sensor Onsemi AR2020 bajo las mismas condiciones.
- El sensor IMX183 muestra sobreexposición al aplicar un desplazamiento digital agresivo y una exposición más prolongada.
Prueba de ganancia digital de IMX183 frente a AR2020
En la siguiente fase, ambos sensores fueron probados con la ganancia analógica máxima (24 dB) y un tiempo de exposición fijo de 10 ms.
A medida que la ganancia analógica aumenta de 12 dB a 24 dB, ambas cámaras muestran un claro aumento en el brillo de la imagen en cada paso de ganancia. Los detalles de la carta de prueba se vuelven gradualmente más visibles en ambas cámaras.
- 12 dB de ganancia:
En este nivel de ganancia más bajo, ambos sensores produjeron imágenes relativamente oscuras, con solo detalles tenues de la carta de prueba visibles. El OnSemi AR2020 parecía ligeramente más oscuro que el Sony IMX183 en esta etapa.
- 18 dB de ganancia:
Al aumentar la ganancia a 18 dB, se produjo una mejora en el brillo de ambos sensores, especialmente en las áreas más claras de las imágenes, lo que hizo que los detalles de la carta fueran más visibles. El Sony IMX183 mostró una ligera ventaja en el brillo general. Sin embargo, el ruido se hizo más notable en las regiones oscuras de ambas imágenes.
- 24 dB de ganancia (máxima):
Ambas cámaras alcanzan sus imágenes más brillantes con la máxima visibilidad de detalles. El IMX183 mantiene un contraste ligeramente superior. Sin embargo, el ruido y el grano aumentan significativamente, reduciendo la claridad de los detalles finos en ambos sensores.
Prueba de desplazamiento digital de IMX183 frente a AR2020
Aquí, ambas cámaras industriales están configuradas en su ganancia máxima predeterminada (24 dB), variando tanto el tiempo de exposición como los valores de desplazamiento digital.
- Ganancia máxima + desplazamiento digital inicial:
Con una exposición de 10 ms y un desplazamiento digital mínimo (desplazamiento 1), la Sony IMX183 ofrece mayor brillo y contraste. Los detalles de la carta de prueba son claramente visibles en las imágenes de la IMX183, mientras que las imágenes de la OnSemi AR2020 aparecen moderadamente visibles pero menos brillantes.
- Ganancia máxima + Desplazamiento digital máximo:
Con el mismo tiempo de exposición pero aplicando el desplazamiento digital máximo (desplazamiento 4 para IMX183, desplazamiento 2 para AR2020), las imágenes del IMX183 se vuelven extremadamente brillantes, mostrando una sobreexposición total. En cambio, el AR2020 se mantiene equilibrado, con buen detalle y contraste.
Esto sugiere que, si bien el mayor rango de desplazamientos digitales del IMX183 permite una amplificación de señal más agresiva, esto conlleva el riesgo de sobreexposición y posible pérdida de rango dinámico. Para superar este inconveniente, reducir el tiempo de exposición puede ayudar a conservar el detalle de la imagen.
- Baja exposición + Máximo desplazamiento digital:
Con un tiempo de exposición muy corto (3 ms), combinado con la ganancia máxima y el desplazamiento digital, ambos sensores recuperan bien el brillo y los detalles de la carta. Sin embargo, el IMX183 tiende nuevamente a la sobreexposición en comparación con el AR2020, que muestra mejor los tonos. El IMX183 se desplaza hacia los tonos medios más claros.
- Baja exposición + Desplazamiento digital igual:
Cuando ambas cámaras están configuradas con el mismo desplazamiento digital (desplazamiento 2) a baja exposición y ganancia máxima, sus niveles de brillo se vuelven casi iguales. El ruido sigue siendo perceptible en ambos sensores bajo estas condiciones.
Ampliación del rango de ganancia: utilización de la eliminación de límites de parámetros para lograr la máxima sensibilidad
Los parámetros de la Cámara suelen tener límites definidos de fábrica para garantizar un rendimiento óptimo y una alta calidad de imagen. Sin embargo, para aplicaciones específicas, los usuarios pueden necesitar ampliar estos rangos. La función "Eliminar límites de parámetros" permite ampliar el rango ajustable de ciertos parámetros más allá de los valores predeterminados de fábrica.
Cuando se aplica esta función, la ganancia máxima permitida se amplía de la siguiente manera:
- MER2-2000-19U3M: de 0 dB hasta 27 dB
- MER2-2002-20U3M: de 0 dB hasta 50,6 dB
Para evitar la sobreexposición a una ganancia muy alta (50,6 dB), el tiempo de exposición de la MER2-2002-20U3M se reduce de 10 ms a 0,5 ms
En estos niveles de ganancia muy altos, el ruido se convierte en un factor crítico que afecta la calidad de la imagen. Las imágenes capturadas a 50,6 dB de ganancia en el OnSemi AR2020 muestran grano y ruido visibles, que persisten incluso cuando se ajustan otros parámetros.
Al comparar imágenes entre el Sony IMX183 y el AR2020 en estos valores extremos de ganancia, ambas parecen algo similares; sin embargo, el IMX183 ofrece una imagen más limpia y brillante en general.
En el escenario de prueba final, ambos sensores se llevaron a su ganancia máxima, desplazamiento digital y configuraciones de exposición. Bajo estas condiciones, las imágenes del IMX183 presentan una sobreexposición severa, lo que provoca una pérdida significativa de detalles en las zonas de altas luces y áreas brillantes.
En cambio, aunque las imágenes del AR2020 tienen un nivel de exposición más bajo, aún revelan detalles en las regiones más oscuras de la carta de prueba.
Esto resalta la importancia de equilibrar los ajustes: eliminar los límites del sensor permite ampliar la sensibilidad, pero también incrementa el ruido y puede degradar la calidad de la imagen.
Para el AR2020, esto resulta en un ruido notable con ganancia extrema, y el IMX183 sufre una pérdida total de detalle debido a la sobreexposición.
Conclusiones sobre la sensibilidad a la luz del IMX183 frente al AR2020
En comparación, el sensor Sony IMX183 ofrece ventajas como un mayor tamaño de píxel (2,4 µm frente a 1,4 µm) y una relación señal-ruido ligeramente superior (42,08 dB frente a 39,41 dB), lo que resulta en una mejor sensibilidad a la luz por píxel y en imágenes más limpias. El Onsemi AR2020, sin embargo, proporciona una ganancia máxima configurable mucho mayor, lo que puede hacerlo más flexible en condiciones extremas de baja iluminación donde se requiere amplificación de la señal, incluso si se introduce ruido adicional.
En general, ambos sensores demuestran sólidas capacidades con solo diferencias marginales en la calidad de las imágenes bajo condiciones estándar. El IMX183 puede proporcionar resultados ligeramente más brillantes y limpios debido a su tamaño de píxel y ventaja en SNR, mientras que el AR2020 destaca cuando son esenciales configuraciones de ganancia más altas. La elección óptima depende en última instancia de los requisitos exactos de su aplicación de imágenes en condiciones de baja iluminación.
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