什麼是相機靈敏度 為什麼靈敏度規格可能會造成誤導?

靈敏度(Sensitivity)描述感測器對一定光量的反應強度。然而,單憑靈敏度並不能完整反映相機的效能。比較相機時,還需要考量雜訊、增益、動態範圍以及相機的整體架構等因素。

感測器如何對光產生反應?

典型的感測器響應曲線可分為三個區域:

• 暗區:在光線極弱時,感測器的輸出非常低,且受雜訊影響很大,因此量測到的訊號可能難以與雜訊區分。

• 線性區:隨著光量增加,感測器的輸出會以可預測的方式增加,且大致與光量成正比。這是感測器的有效工作範圍。

• 飽和區:在光線很強時,感測器的輸出接近其最大值,響應會變得非線性,最終達到飽和。

從暗區過渡到有效且可預測的訊號範圍,通常以雜訊等效曝光量(Noise Equivalent Exposure,NEE)來描述。NEE 越低,通常表示感測器能偵測到越微弱的光。

感測器響應中線性區段的斜率,通常稱為靈敏度,它表示感測器在一定入射光量下所產生的類比輸出大小。

為什麼靈敏度越高不一定越好?

靈敏度較高的感測器,在相同光量下會產生較大的輸出訊號。然而,這並不代表相機就能產生更好的影像。

例如,相機可能透過放大電路或提高增益設定來獲得較高的輸出。但這不僅會增加訊號,也會增加雜訊,因此所得到的影像不一定包含更多有用的資訊。

雜訊水準與最小可偵測訊號與靈敏度本身同樣重要。雜訊較低的感測器,即使靈敏度規格較低,在低光環境下的表現也可能更好。

什麼是響應度(Responsivity)?

對於完整的數位相機而言,響應度可能是比感測器靈敏度更有用的規格。

靈敏度描述的是感測器在類比域中的響應。然而,數位相機還包含放大器與類比數位轉換器(ADC)等其他元件,這些元件都會影響最終的數位輸出。

響應度描述的是入射光量與所產生的數位像素值之間的關係,例如可表示為:

響應度 = DN / µJ/cm²

其中DN(Digital Number,數位值)代表數位像素值。

響應度也取決於相機的增益設定。提高增益會增加數位響應,但同時也會增加雜訊。

為什麼響應度一定要與雜訊一起考量?

以下面兩台相機為例:

	相機 1	相機 2
響應度	1 DN/µJ/cm²	2 DN/µJ/cm²
雜訊(峰對峰值)	2 DN	5 DN

乍看之下,相機 2 的響應度似乎較高。然而,如果相機 1 提供可將響應度加倍的增益設定,其規格可能會變成:

	相機 1(提高增益後)	相機 2
響應度	2 DN/µJ/cm²	2 DN/µJ/cm²
雜訊(峰對峰值)	4 DN	5 DN

此時兩台相機的響應度相同,而相機 1 的雜訊較低。

這個例子說明了為什麼不應脫離雜訊單獨評估響應度。提高增益可以提高表面上的靈敏度或響應度,但不一定能增加相機所擷取的有用資訊。

比較相機靈敏度時應注意哪些事項?

比較相機時,不要只看靈敏度數值。請確認各項規格是在可相互比較的量測條件下取得,並至少考量以下項目:

• 響應度或靈敏度

• 雜訊水準

• 訊噪比(SNR)

• 增益設定

• 最小可偵測訊號/雜訊等效曝光量(NEE)

• 動態範圍

• 量測條件與單位

最重要的是,應以相同的量測標準與條件來比較相機。單憑較高的靈敏度或響應度數值,並不一定代表相機能提供更好的影像品質或低光表現。