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【打造光學系統】:徹底解析感光元件的六大參數

日期:2023-07-26


在比較或選擇工業相機的感光元件時,必須注意以下六大參數:

● 量子效率
量子效率的意思為有多少百分比的光子被偵測到,例如量子效率60%表示10顆光子入射進來,轉換成6顆電子,一般人眼的量子效率約20%、底片約10%;CCD/COMS感光元件則可以超過90%,不同光源波長下,量子效率也會不一樣,一般可以透過設計例如結構薄化、背照式(back-illumination)、抗反射塗層等等…來增加量子效率。

● 波長範圍
使用矽晶半導體製作的CCD感光元件可以對應從X-Ray(0.1nm)到近紅外(1000nm)寬廣的波長範圍,而對於短波長範圍,例如X-Ray與紫外光,則可使用背照式(back-illumination)設計來強化短波長範圍的感測,例如DALSA最新推出的Linea HS 16k BSI就是採用BSI設計的16k TDI線掃描相機,其DUV波段的感光能力較傳統相機大幅提升;紅外線部分則可以使用高阻值矽基板材料等方式來提升靈敏度,而隨著CMOS技術不斷的推進,可以涵蓋的波長範圍也越來越廣。

● 動態範圍
在一個影像中可以看到最亮與最暗之間的差異稱之為動態範圍,當光照射在感光元件上,光子會被轉換成電子,一般討論的動態範圍即是指可以成像的最少和最大電子數。感光元件本身有Read Out Noise,通常每個像素會有2~4個電子,非專業應用的感光元件可能會到20個電子,這會影響到感光元件所能偵測到的最小電子數,也就是檢測對比度較小細節的能力。

● 線性度
入射光與輸出訊號之間的關係。高性能的感光元件會呈現出較好的線性度,有益於平場校正、線性轉換、比率計算等等…且關係到優化相機的難易度。

● 雜訊
一般會分成Temporal Noise和Spatial Noise,前者會隨著時間變化,可依照EMVA1288進行量測;後者通常來自感光元件本身,例如不佳的設計。

● 暗電流
由熱所產生的雜訊,通常每升溫8度暗電流雜訊就會加倍。在沒有任何散熱機制下,室溫下的暗電流雜訊可以飆高到每像素數千個電子,但透過加裝特殊的冷卻機制,則可以把暗電流雜訊抑制在個位數的電子數,例如Vieworks的VP系列相機,透過TEC Cooling技術,可以把溫度維持在比室溫低20度,長曝光時間拍攝也不用擔心。