Sensibilité à la lumière : Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
La sensibilité à la lumière est un paramètre critique dans le choix des caméras industrielles pour les applications d'imagerie en faible luminosité. Cet article présente une évaluation comparative de deux capteurs : le Sony IMX183 et l'Onsemi AR2020, tels qu'implémentés dans les caméras MER2-2000-19U3M et MER2-2002-20U3M, respectivement.
En analysant les tests effectués en ajustant le gain, les temps d'exposition variés et l'amplification numérique du signal, cette étude met en évidence les performances de sensibilité à la lumière des deux capteurs dans des conditions d'éclairage difficiles. Étant donné que les deux caméras étaient équipées d'objectifs identiques réglés à la même ouverture (F2.4) et correspondaient en caractéristiques optiques, les résultats peuvent être attribués uniquement aux performances intrinsèques des capteurs. En analysant les tests effectués en ajustant le gain, les temps d'exposition variés et l'amplification numérique du signal, l'étude révèle la sensibilité à la lumière des deux capteurs dans des conditions d'éclairage difficiles.
Table of contents
| Modèle de Caméra | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Capteur |
Sony IMX183 CMOS à obturateur roulant |
Onsemi AR2020 CMOS à obturateur roulant |
|
Résolution |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
|
Nombre total de pixels |
20.48 MP |
20 MP |
|
Taille de pixel |
2.4 um |
1.4 um |
|
Format optique |
1" |
1/1.8" |
|
SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
|
Plage de gain standard |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
|
Gain (si vous utilisez Supprimer les limites des paramètres) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
|
Temps d'exposition standard |
12us - 1s |
26us - 1s |
|
Exposition (si vous utilisez Supprimer les limites des paramètres) |
12us - 15s |
26us - 15s |
|
Profondeur de bits des pixels |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Influence du gain, de l’exposition et du décalage numérique sur IMX183 vs AR2020
Le gain, l'exposition et le décalage numérique sont des fonctionnalités clés qui contribuent à la capacité d'une caméra à capturer la lumière et à influencer la luminosité et la qualité des images, en particulier dans des conditions d'éclairage variables.
Tests de sensibilité à la lumière IMX183 vs AR2020
Test de référence de l’IMX183 vs AR2020
Réglez le gain sur 0 dB. Cela fournit une référence sans bruit supplémentaire dû à l’amplification.
Pour établir une mesure fondamentale de la sensibilité lumineuse native, les deux caméras ont été testées à gain nul (0 dB). Les temps d’exposition ont été augmentés progressivement de 40 ms à 50 ms, et le décalage numérique (la capacité interne du capteur à amplifier la sortie numérique) a été appliqué progressivement jusqu’au maximum autorisé par chaque modèle.
- Avec un temps d'exposition de 40 ms sans gain, les images des deux capteurs apparaissaient relativement sombres, avec une visibilité limitée des détails de la mire de test.
- Lorsque le temps d’exposition a été augmenté à 50 ms et que le décalage numérique maximal a été appliqué, le capteur Sony IMX183 a produit des images légèrement plus lumineuses et avec un contraste plus élevé que le capteur Onsemi AR2020 dans les mêmes conditions.
- Le capteur IMX183 présente une surexposition lors de l'application d'un décalage numérique agressif et d'une exposition prolongée.
Test de gain numérique de l’IMX183 vs AR2020
Dans la phase suivante, les deux capteurs ont été testés au gain analogique maximal (24 dB) avec un temps d'exposition fixe de 10 ms.
Lorsque le gain analogique passe de 12 dB à 24 dB, les deux caméras présentent une augmentation nette de la luminosité de l'image à chaque palier de gain. Les détails de la mire de test deviennent progressivement plus visibles sur les deux caméras.
- Gain de 12 dB :
À ce niveau de gain plus faible, les deux capteurs ont produit des images relativement sombres, avec seulement de faibles détails de la mire de test visibles. L'OnSemi AR2020 semblait légèrement plus sombre que le Sony IMX183 à ce stade.
- Gain de 18 dB :
L’augmentation du gain à 18 dB a entraîné une amélioration de la luminosité pour les deux capteurs, en particulier dans les zones les plus claires des images, rendant les détails du graphique plus visibles. Le Sony IMX183 a montré un léger avantage en termes de luminosité globale. Cependant, le bruit est devenu plus perceptible dans les zones sombres des deux images.
- Gain de 24 dB (maximum) :
Les deux caméras atteignent leurs images les plus lumineuses avec une visibilité maximale des détails. L’IMX183 conserve un contraste légèrement supérieur. Cependant, le bruit et le grain augmentent de manière significative, réduisant la clarté des détails fins sur les deux capteurs.
Test de décalage numérique de l'IMX183 vs AR2020
Ici, les deux caméras industrielles sont réglées sur leur gain maximal par défaut (24 dB), en faisant varier à la fois le temps d’exposition et les valeurs de décalage numérique.
- Gain maximal + Décalage numérique initial :
Avec une exposition de 10 ms et un décalage numérique minimal (décalage 1), le capteur Sony IMX183 offre une luminosité et un contraste supérieurs. Les détails de la mire de test sont bien visibles sur les images de l’IMX183, tandis que les images de l’OnSemi AR2020 apparaissent modérément visibles mais moins lumineuses.
- Gain maximal + Décalage numérique maximal :
Avec le même temps d’exposition mais avec le décalage numérique maximal appliqué (décalage 4 pour l’IMX183, décalage 2 pour l’AR2020), les images de l’IMX183 deviennent extrêmement lumineuses, montrant une surexposition totale. En revanche, l’AR2020 reste équilibré avec de bons détails et un bon contraste.
Cela suggère que, bien que la plage plus large de décalages numériques de l’IMX183 permette une amplification du signal plus agressive, cela s’accompagne d’un risque de surexposition et d’une perte potentielle de plage dynamique. Pour y remédier, la réduction du temps d’exposition peut aider à préserver les détails de l’image.
- Faible exposition + Décalage numérique maximal :
Avec un temps d'exposition très court (3 ms), combiné à un gain et un décalage numérique maximum, les deux capteurs restituent bien la luminosité et les détails de la charte. Cependant, l'IMX183 a de nouveau tendance à être surexposé par rapport à l'AR2020, qui restitue mieux les tons. L'IMX183 se déplace vers des demi-tons plus clairs.
- Faible exposition + Décalage numérique égal :
Lorsque les deux caméras sont réglées sur le même décalage numérique (décalage 2) avec une faible exposition et un gain maximal, leurs niveaux de luminosité deviennent presque identiques. Le bruit reste perceptible sur les deux capteurs dans ces conditions.
Extension de la plage de gain : utilisation de la suppression des limites de paramètres pour une sensibilité maximale
Les paramètres de la Caméra disposent généralement de limites définies en usine afin de garantir des performances optimales et une qualité d'image élevée. Cependant, pour certaines applications, les utilisateurs peuvent avoir besoin d'étendre ces plages. La fonctionnalité « Supprimer les limites des paramètres » permet d'élargir la plage de réglage de certains paramètres au-delà de leurs valeurs par défaut d'usine.
Lorsque cette fonctionnalité est appliquée, le gain maximal autorisé est étendu comme suit :
- MER2-2000-19U3M : de 0 dB jusqu'à 27 dB
- MER2-2002-20U3M : de 0 dB jusqu'à 50,6 dB
Pour éviter la surexposition à un gain très élevé (50,6 dB), le temps d'exposition de la Caméra MER2-2002-20U3M est réduit de 10 ms à 0,5 ms
À ces niveaux de gain très élevés, le bruit devient un facteur critique affectant la qualité de l’image. Les images capturées à 50,6 dB de gain sur l’OnSemi AR2020 présentent un grain et un bruit visibles, qui persistent même lorsque d’autres réglages sont ajustés.
Lors de la comparaison des images entre le Sony IMX183 et l’AR2020 à ces valeurs de gain extrêmes, les deux semblent quelque peu similaires ; cependant, l’IMX183 offre une image globalement plus propre et plus lumineuse.
Dans le scénario de test final, les deux capteurs ont été poussés à leur gain maximal, à leur décalage numérique et à leurs réglages d’exposition les plus élevés. Dans ces conditions, les images IMX183 présentent une surexposition sévère, entraînant une perte significative de détails dans les hautes lumières et les zones claires.
En revanche, bien que les images AR2020 aient un niveau d’exposition plus faible, elles révèlent tout de même des détails dans les zones sombres de la mire de test.
Cela met en évidence l'importance de l'équilibre des réglages : supprimer les limites du capteur permet d'accroître la sensibilité, mais cela augmente également le bruit et peut dégrader la qualité d'image.
Pour l'AR2020, cela se traduit par un bruit notable à un gain extrême, et l'IMX183 subit une perte totale de détails due à la surexposition.
Conclusions sur la sensibilité à la lumière de l’IMX183 par rapport à l’AR2020
En comparaison, le capteur Sony IMX183 offre des avantages tels qu'une taille de pixel plus grande (2,4 µm contre 1,4 µm) et un rapport signal/bruit légèrement supérieur (42,08 dB contre 39,41 dB), ce qui se traduit par une meilleure sensibilité lumineuse par pixel et des images plus propres. L'Onsemi AR2020, en revanche, propose un gain maximal configurable bien plus élevé, ce qui peut le rendre plus flexible dans des conditions de très faible luminosité où une amplification du signal est nécessaire, même si cela introduit du bruit supplémentaire.
Dans l'ensemble, les deux capteurs démontrent de solides performances avec seulement des différences marginales en qualité d'image dans des conditions standard. L'IMX183 peut offrir des résultats légèrement plus lumineux et plus propres grâce à la taille de ses pixels et à son avantage en SNR, tandis que l'AR2020 se distingue lorsque des réglages de gain plus élevés sont essentiels. Le choix optimal dépend finalement des exigences précises de votre application d'imagerie en faible luminosité.
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