ประสิทธิภาพแสงน้อย-คืออะไร

เมื่อคุณใช้โมดูลกล้องในห้องที่มีแสงสลัว ใต้แสงจันทร์ หรือในท่อที่มืด ภาพมักจะกลายเป็นเม็ดหยาบ มืด หรือพร่ามัว ความสามารถของกล้องในการสร้างภาพที่ใช้งานได้และชัดเจนในสภาวะดังกล่าวเรียกว่าประสิทธิภาพแสงน้อย. นี่เป็นหนึ่งในข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานหลายประเภท ตั้งแต่โมดูลกล้องขนาดเล็กในกล้องเอนโดสโคปทางการแพทย์ ไปจนถึงโมดูลกล้อง USB สำหรับการรักษาความปลอดภัยในเวลากลางคืน ในบทความนี้ เราจะอธิบายว่าประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยหมายถึงอะไร ปัจจัยใดที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ และวิธีเลือกโมดูลกล้องที่ทำงานได้ดีในที่มืด

ทำไมประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยจึงมีความสำคัญ

กล้องที่ต้องดิ้นรนในที่แสงน้อยจะบังคับให้เซ็นเซอร์ขยายสัญญาณ (เพิ่มอัตราขยาย) ซึ่งจะขยายสัญญาณรบกวนอิเล็กทรอนิกส์แบบสุ่มด้วย ผลลัพธ์ที่ได้คือภาพที่ "เต็มไปด้วยหิมะ" ที่มีจุดรบกวนและมีรายละเอียดลดลง ในการใช้งานที่สำคัญ เช่น กล้องเอนโดสโคปสำหรับการผ่าตัด ระบบการมองเห็นตอนกลางคืนในยานยนต์ หรือกล้องถ่ายภาพสัตว์ป่าในเวลากลางคืน ประสิทธิภาพแสงน้อยที่ไม่ดีอาจทำให้พลาดการวินิจฉัย อุบัติเหตุ หรือข้อมูลสูญหายได้

แม้แต่โมดูลกล้อง USB ธรรมดาที่ใช้สำหรับการตรวจสอบบ้าน ความสามารถในสภาวะแสงน้อยที่ดีก็หมายความว่าคุณสามารถมองเห็นในมุมที่มืดได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้แสงภายนอกที่ทรงพลัง

ประสิทธิภาพแสงน้อยวัดได้อย่างไร?

ไม่มีหมายเลขสากลเพียงหมายเลขเดียว แต่ผู้ผลิตมักระบุ:

การส่องสว่างขั้นต่ำ– ระดับแสงต่ำสุด (เป็นลักซ์) ที่กล้องสามารถสร้างภาพที่ใช้งานได้ สำนักงานในอาคารทั่วไปจะมีความสว่างประมาณ 300-500 ลักซ์ แสงจันทร์มีค่าประมาณ 0.1-0.3 ลักซ์

อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR)– ในที่แสงน้อย SNR ที่สูงขึ้นหมายถึงสัญญาณรบกวนที่มองเห็นได้น้อยลง

ความไว– มักแสดงเป็น mV ต่อ lux·s (มิลลิโวลต์ต่อ lux·s) สำหรับเซ็นเซอร์

โมดูลกล้องในสภาวะแสงน้อยที่ดีสามารถทำงานได้ที่ 0.1 ลักซ์หรือต่ำกว่า โดยมักจะได้รับความช่วยเหลือจากแสงอินฟราเรด

ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานในสภาพแสงน้อย

1. ขนาดพิกเซล (การออกแบบเซ็นเซอร์)
ปัจจัยพื้นฐานที่สุดคือขนาดของแต่ละพิกเซลบนเซ็นเซอร์โมดูลกล้อง CMOS พิกเซลที่ใหญ่กว่าจะจับโฟตอน (อนุภาคแสง) มากกว่าพิกเซลที่เล็กกว่า ตัวอย่างเช่น พิกเซลที่มีความกว้าง 2.9 µm (ไมโครเมตร) จะรวบรวมแสงได้มากกว่าพิกเซล 1.4 µm ประมาณสี่เท่า ดังนั้น สำหรับความละเอียดที่กำหนด เซ็นเซอร์ที่มีพิกเซลขนาดใหญ่จะทำงานได้ดีกว่ามากในที่แสงน้อย

นี่คือสาเหตุที่โมดูลกล้องขนาดเล็ก 2 MP ที่มีพิกเซลขนาดใหญ่อาจให้ภาพกลางคืนที่สะอาดกว่าโมดูล 8 MP ที่มีพิกเซลขนาดเล็กมาก แม้ว่าโมดูล 8 MP จะมีความละเอียดสูงกว่าก็ตาม

2. เทคโนโลยีแบ็คไลท์ (BSI)
เซ็นเซอร์แบบเดิมจะมีสายไฟอยู่เหนือบริเวณที่ไวต่อแสง เพื่อบังแสงบางส่วน เซ็นเซอร์ BSI พลิกโครงสร้าง โดยวางสายไฟไว้ด้านหลังโฟโตไดโอด ช่วยให้แสงเข้าถึงพิกเซลได้มากขึ้น โดยปรับปรุงความไวแสงน้อยได้ 30-50% เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ BSI ที่มีขนาดพิกเซลเท่ากัน เซ็นเซอร์โมดูลกล้อง CMOS ที่ทันสมัยเกือบทั้งหมดสำหรับการส่องกล้องหรือการเฝ้าระวังใช้ BSI

3. รูรับแสงของเลนส์ (ค่า f)
เลนส์ควบคุมปริมาณแสงที่เข้าสู่กล้อง เลนส์ที่มีค่ารูรับแสงต่ำกว่า (เช่น f/1.8) ให้แสงเข้ามาได้มากกว่าเลนส์ที่มีค่ารูรับแสงสูงกว่า (เช่น f/2.8) โมดูลกล้องโฟกัสอัตโนมัติมักจะมีรูรับแสงปานกลาง (f/2.0‑f/2.4) ที่สร้างสมดุลการรวบรวมแสงและความชัดลึก สำหรับสภาพแสงน้อยมาก โมดูลโฟกัสคงที่ที่มีค่า f ต่ำมาก (f/1.4) เหมาะอย่างยิ่ง แต่จะมีระยะชัดลึกที่ตื้นกว่า

4. เทคโนโลยีเซนเซอร์ (BSI, Stacked, Global Shutter)
เซ็นเซอร์รับแสงด้านหลัง (BSI) และเซ็นเซอร์ CMOS แบบเรียงซ้อนเหมาะที่สุดสำหรับแสงน้อย โดยทั่วไปเซ็นเซอร์ชัตเตอร์ทั่วโลกจะมีความไวต่ำกว่าเซ็นเซอร์ Rolling Shutter ที่มีขนาดพิกเซลเท่ากันเล็กน้อย แต่จะเลือกใช้เมื่อฉากมีการเคลื่อนไหวเร็ว

5. การลดจุดรบกวนและการประมวลผลภาพ
ตัวประมวลผลภาพของกล้อง (ISP) สามารถใช้การลดสัญญาณรบกวนเชิงพื้นที่ (การปรับเฟรมปัจจุบันให้เรียบ) และการลดสัญญาณรบกวนชั่วคราว (โดยเฉลี่ยหลายเฟรม) โมดูลกล้อง UVC ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างดีสามารถสร้างภาพที่สะอาดขึ้นโดยสูญเสียรายละเอียดเล็กน้อยไปเล็กน้อย โมดูลระดับไฮเอนด์บางรุ่นยังใช้เทคนิค HDR แบบหลายเฟรมเพื่อเพิ่มความสว่างให้กับเงาโดยไม่ทำให้ไฮไลท์สว่างจ้าเกินไป

6. อัตราเฟรมและเวลารับแสง
ในสภาพแสงน้อย กล้องอาจลดอัตราเฟรมโดยอัตโนมัติ (เช่น จาก 30 fps เป็น 15 fps) เพื่อให้มีเวลาเปิดรับแสงต่อเฟรมนานขึ้น ซึ่งจะรวบรวมแสงได้มากขึ้นแต่ทำให้วิดีโอมีความราบรื่นน้อยลง สำหรับโมดูลกล้อง Raspberry Pi v3 คุณสามารถลดอัตราเฟรมในซอฟต์แวร์ได้ด้วยตนเอง (libcamera‑vid --framerate 15) เพื่อปรับปรุงคุณภาพของภาพในสภาวะแสงน้อย

วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพแสงน้อยในโมดูลกล้องของคุณ

เลือกเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่า (หากขนาดอนุญาต)– เซ็นเซอร์ 1/2.8″ ที่มีพิกเซล 2.9 µm จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเซ็นเซอร์ 1/4″ ที่มีพิกเซล 1.4 µm

เลือกเซ็นเซอร์ BSI– เซ็นเซอร์ Sony IMX ส่วนใหญ่ (เช่น IMX290, IMX307) ใช้ BSI

ใช้เลนส์ที่มีรูรับแสงกว้างขึ้น– f/2.0 หรือต่ำกว่า หากเป็นไปได้

เพิ่มแสงอินฟราเรด (IR)– สำหรับความมืดสนิท ให้ใช้ IR LED (850 nm หรือ 940 nm) และกล้องที่ไม่มีฟิลเตอร์ตัด IR

ลดอัตราเฟรม– แลกความเนียนเพื่อความสดใส

ใช้การลดเสียงรบกวนชั่วคราว– เฟรมเฉลี่ยจะลดสัญญาณรบกวน แต่อาจทำให้เกิดภาพซ้อนหากฉากเคลื่อนไหว

ประสิทธิภาพแสงน้อยในโมดูลกล้องประเภทต่างๆ

โมดูลกล้องขนาดเล็ก (สำหรับการส่องกล้อง)– มีเซนเซอร์ขนาดเล็กมาก (1/9″ ถึง 1/6″) และเลนส์ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพแสงน้อยมีจำกัดโดยเนื้อแท้ เพื่อชดเชย โมดูลกล้องเอนโดสโคปจะใช้ไฟ LED สว่างใกล้กับเลนส์มาก สำหรับการใช้งานทางการแพทย์ กำลังแสงจะถูกจำกัดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เนื้อเยื่อร้อน ดังนั้นความไวของกล้องจึงมีความสำคัญ

โมดูลกล้อง USB (UVC)– โมดูลกล้อง UVC จำนวนมากสำหรับเว็บแคมใช้เซ็นเซอร์ขนาดเล็กที่มีความสามารถในการแสงน้อยโดยเฉลี่ย อย่างไรก็ตาม โมดูลกล้อง UVC ระดับมืออาชีพสำหรับการเฝ้าระวังหรือการตรวจสอบทางอุตสาหกรรมมักใช้เซ็นเซอร์ BSI และพิกเซลที่ใหญ่กว่า นอกจากนี้ยังรองรับการปรับอัตราขยายและการรับแสงอัตโนมัติ

โมดูลกล้อง OEM– เมื่อคุณออกแบบโมดูลกล้อง OEM แบบกำหนดเอง คุณสามารถปรับแต่งทุกแง่มุมสำหรับแสงน้อยได้: เลือกเซ็นเซอร์ BSI ที่มีพิกเซลขนาดใหญ่ ระบุเลนส์แก้วที่มีรูรับแสง f/1.8 และปรับแต่งการลดสัญญาณรบกวนของ ISP นี่เป็นวิธีที่ดีที่สุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมในสภาพแสงน้อยสำหรับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง

โมดูลกล้องออโต้โฟกัส– ออโต้โฟกัสเพิ่มองค์ประกอบเลนส์ที่เคลื่อนไหวซึ่งอาจลดขนาดรูรับแสงสูงสุดลงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม โมดูลโฟกัสอัตโนมัติจำนวนมากยังคงใช้ค่า f/2.0‑f/2.4 ได้ ซึ่งดีสำหรับแสงน้อย ข้อดีคือคุณสามารถโฟกัสไปที่วัตถุที่อยู่ใกล้ในสภาพแสงสลัวได้

โมดูลกล้อง Raspberry Pi V3– กล้อง Raspberry Pi อย่างเป็นทางการใช้เซ็นเซอร์ Sony IMX708 (BSI, พิกเซล 1.4 µm ในโหมด 4:3) ประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยนั้นเหมาะสมสำหรับโมดูลสำหรับผู้บริโภค แต่ไม่ดีเท่ากับกล้องอุตสาหกรรมที่มีแสงน้อยโดยเฉพาะ คุณสามารถปรับปรุงได้โดยการลดอัตราเฟรมและใช้ตัวเลือก --nopreview เพื่อหลีกเลี่ยงโอเวอร์เฮดของ CPU

ตัวอย่างการปฏิบัติ

สมมติว่าคุณต้องการโมดูลกล้องขนาดเล็กสำหรับการตรวจสอบโดรนในเวลากลางคืน คุณมีสองทางเลือก:

ตัวเลือก A: เซ็นเซอร์ 720p พร้อมพิกเซล 2.2 µm, BSI, เลนส์ f/2.0

ตัวเลือก B: เซ็นเซอร์ 1080p พร้อมพิกเซล 1.4 µm, เลนส์ non-BSI, f/2.8

ตัวเลือก A จะให้ภาพกลางคืนที่สะอาดกว่ามาก แม้ว่าความละเอียดจะต่ำกว่าก็ตาม สำหรับงานโดรน คุณไม่จำเป็นต้องมีความละเอียด 1080p แต่คุณต้องมองเห็นวัตถุได้ชัดเจนในความมืด ดังนั้น ให้เลือกโมดูลที่มีประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยที่ดีกว่า

สรุป

ประสิทธิภาพแสงน้อยเป็นตัวกำหนดว่าโมดูลกล้องสามารถสร้างภาพที่ใช้งานได้ดีเพียงใดในสภาพแสงน้อยหรือมืด ขึ้นอยู่กับขนาดพิกเซล (ใหญ่กว่าดีกว่า) เทคโนโลยี BSI รูรับแสงของเลนส์ การลดสัญญาณรบกวนของ ISP และอัตราเฟรม เมื่อเลือกโมดูลกล้อง ไม่ว่าจะเป็นโมดูลกล้องขนาดเล็กสำหรับการส่องกล้อง, โมดูลกล้อง USB เพื่อความปลอดภัย, โมดูลกล้อง OEM สำหรับอุปกรณ์แบบกำหนดเอง, โมดูลกล้องโฟกัสอัตโนมัติสำหรับเครื่องสแกนบาร์โค้ด, โมดูลกล้อง UVC สำหรับเว็บแคม, โมดูลกล้อง CMOS สำหรับการมองเห็นแบบฝัง หรือโมดูลกล้อง Raspberry Pi v3 สำหรับต้นแบบ – ตรวจสอบขนาดพิกเซลของเซ็นเซอร์เสมอและใช้ BSI หรือไม่ ในสภาพแสงน้อย ให้พิจารณาเพิ่มแสง IR และลดอัตราเฟรม

หากคุณต้องการโมดูลกล้องที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานในสภาพแสงน้อย โปรดติดต่อ Sincere เราออกแบบและผลิตโมดูลกล้อง OEM แบบกำหนดเองพร้อมเซ็นเซอร์ CMOS ความไวสูง พิกเซลขนาดใหญ่ และเลนส์ที่รวดเร็วซึ่งปรับให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมของคุณ