薄暗い部屋、月明かりの下、または暗いパイプ内でカメラ モジュールを使用すると、画像が粗くなったり、暗くなったり、ぼやけたりすることがよくあります。このような状況で使用可能な鮮明な画像を生成するカメラの能力を、低照度でのパフォーマンス。これは、医療用内視鏡のミニカメラ モジュールから夜間セキュリティ用の USB カメラ モジュールに至るまで、多くのアプリケーションにとって最も重要な仕様の 1 つです。この記事では、低照度パフォーマンスの意味、それに影響を与える要因、および暗闇でも優れたパフォーマンスを発揮するカメラモジュールの選び方について説明します。
低照度でのパフォーマンスが重要な理由
暗い場所でのカメラの動作が困難な場合、センサーは信号を増幅（ゲインを上げる）ことを強いられ、ランダムな電子ノイズも増幅されます。その結果、ノイズが多く、詳細が低下した「雪のような」画像が生成されます。外科用内視鏡、自動車用暗視システム、夜行性野生動物カメラなどの重要な用途では、低照度性能が低いと診断の見逃し、事故、データの損失につながる可能性があります。
住宅検査に使用される単純な USB カメラ モジュールであっても、低照度機能が優れているため、強力な外部光を必要とせずに暗い隅々まで見ることができます。
低照度パフォーマンスはどのように測定されますか?
単一の普遍的な番号はありませんが、メーカーは多くの場合次のように指定します。
最小照度– カメラが使用可能な画像を生成できる最低光レベル (ルクス単位)。一般的な屋内オフィスの明るさは約 300 ～ 500 ルクスです。月の光は約0.1～0.3ルクスです。
信号対雑音比 (SNR)– 暗い場所では、SNR が高くなるほど、目に見えるノイズが少なくなります。
感度– 多くの場合、センサーの mV/ルクス・秒 (ミリボルト/ルクス/秒) で表されます。
優れた低照度カメラ モジュールは、多くの場合、赤外線照明の助けを借りて、0.1 ルクス以下で動作します。
低照度のパフォーマンスに影響を与える主な要因
1. ピクセルサイズ（センサー設計）
最も基本的な要素は、cmos カメラ モジュール センサーの各ピクセルのサイズです。大きなピクセルは、小さなピクセルよりも多くのフォトン (光の粒子) を捕捉します。たとえば、幅 2.9 µm (マイクロメートル) のピクセルは、1.4 µm のピクセルの約 4 倍の光を集めます。したがって、特定の解像度では、より大きなピクセルを備えたセンサーの方が、暗い場所でのパフォーマンスが大幅に向上します。
8 MP モジュールの解像度が高いにもかかわらず、大きなピクセルを備えた 2 MP ミニカメラ モジュールの方が、非常に小さなピクセルを備えた 8 MP モジュールよりもきれいな夜間画像を生成できるのはこのためです。
2. 裏面照射型 (BSI) テクノロジー
従来のセンサーでは、感光領域の上に配線があり、一部の光が遮られていました。 BSI センサーは構造を反転し、配線をフォトダイオードの後ろに配置します。これにより、より多くの光がピクセルに届くようになり、同じピクセル サイズの非 BSI センサーと比較して、低照度感度が 30 ～ 50% 向上します。内視鏡検査や監視用の最新の cmos カメラ モジュール センサーのほとんどすべてが BSI を使用しています。
3. レンズの絞り（F ナンバー）
レンズはカメラに入る光の量を制御します。 f 値が低いレンズ (f/1.8 など) は、f 値が高いレンズ (f/2.8 など) よりも多くの光を取り込みます。オート フォーカス カメラ モジュールには、集光と被写界深度のバランスをとる適度な絞り (f/2.0 ～ f/2.4) が付いていることがよくあります。非常に暗い光の場合、非常に低い F 値 (f/1.4) の固定焦点モジュールが理想的ですが、被写界深度が浅くなります。
4. センサーテクノロジー (BSI、スタックド、グローバルシャッター)
裏面照射型 (BSI) および積層型 CMOS センサーは、低照度に最適です。グローバル シャッター センサーは通常、同じピクセル サイズのローリング シャッター センサーよりも感度がわずかに低くなりますが、シーンに速い動きが含まれる場合に適しています。
5. ノイズリダクションと画像処理
カメラの画像プロセッサ (ISP) は、空間ノイズ リダクション (現在のフレームを平滑化) および時間ノイズ リダクション (複数のフレームの平均化) を適用できます。適切に調整された UVC カメラ モジュールは、細部の細部がわずかに失われる代わりに、より鮮明な画像を生成できます。一部のハイエンド モジュールでは、マルチフレーム HDR 技術を使用して、ハイライトを飛ばさずにシャドウを明るくします。
6. フレームレートと露光時間
非常に暗い場所では、カメラはフレーム レートを自動的に下げて（たとえば、30 fps から 15 fps に）、フレームあたりの露出時間を長くすることができます。これにより、より多くの光が集まりますが、ビデオの滑らかさが低下します。 raspberry pi カメラ モジュール v3 の場合、ソフトウェア (libcamera‑vid --framerate 15) でフレーム レートを手動で下げて、低照度の画質を向上させることができます。
カメラモジュールの低照度パフォーマンスを向上させる方法
より大きなセンサーを選択してください (サイズが許せば)– 2.9 µm ピクセルの 1/2.8 インチ センサーは、1.4 µm ピクセルの 1/4 インチ センサーよりも優れた性能を発揮します。
BSIセンサーを選択してください– ほとんどの Sony IMX センサー (IMX290、IMX307 など) は BSI を使用します。
より大きな口径のレンズを使用する– 可能であれば f/2.0 以下。
赤外線 (IR) 照明を追加する– 完全な暗闇の場合は、IR LED (850 nm または 940 nm) と IR カットフィルターのないカメラを使用します。
フレームレートを下げる– 明るさのために滑らかさをトレードします。
時間的ノイズ低減を使用する– フレームを平均化するとノイズが軽減されますが、シーンが動くとゴーストが発生する可能性があります。
さまざまなタイプのカメラモジュールでの低照度パフォーマンス
ミニカメラモジュール（内視鏡用）– これらには非常に小さなセンサー (1/9 インチから 1/6 インチ) と小さなレンズが搭載されています。低照度でのパフォーマンスは本質的に制限されています。それを補うために、内視鏡カメラモジュールはレンズのすぐ近くに明るい LED を使用します。医療用途では、組織の加熱を避けるために光出力が制限されるため、カメラの感度が重要です。
USBカメラモジュール(UVC)– Web カメラ用の UVC カメラ モジュールの多くは、平均的な低照度能力を持つ小型センサーを使用しています。ただし、監視または産業検査用のプロフェッショナル UVC カメラ モジュールでは、多くの場合、BSI センサーとより大きなピクセルが使用されます。また、自動ゲインおよび露出調整もサポートしています。
OEMカメラモジュール– カスタム OEM カメラ モジュールを設計する場合、低照度に対するあらゆる側面を最適化できます。大きなピクセルを備えた BSI センサーを選択し、f/1.8 絞りのガラス レンズを指定し、ISP のノイズ リダクションを調整します。これは、特定の用途で優れた低照度パフォーマンスを実現する最良の方法です。
オートフォーカスカメラモジュール– オートフォーカスでは可動レンズ要素が追加されるため、最大絞りがわずかに減少する可能性があります。ただし、多くのオートフォーカス モジュールは依然として f/2.0 ～ f/2.4 を達成しており、これは低照度に適しています。利点は、薄暗い場所でも近くの物体に焦点を合わせることができることです。
Raspberry Pi カメラ モジュール V3– 公式の Raspberry Pi カメラは、Sony IMX708 センサー (BSI、4:3 モードで 1.4 µm ピクセル) を使用します。低照度性能は民生用モジュールとしては十分ですが、専用の低照度産業用カメラほどではありません。フレーム レートを下げ、 --nopreview オプションを使用して CPU オーバーヘッドを回避することで、この問題を改善できます。
実践例
夜間のドローン検査に小型カメラ モジュールが必要だとします。次の 2 つのオプションがあります。
オプション A: 2.2 µm ピクセル、BSI、f/2.0 レンズを備えた 720p センサー。
オプション B: 1.4 µm ピクセルの 1080p センサー、非 BSI、f/2.8 レンズ。
オプション A を選択すると、解像度は低くなりますが、より鮮明な夜間画像が生成されます。ドローンのタスクでは、1080p は必要ありません。暗闇の中でも被写体をはっきりと見る必要があります。したがって、より優れた低照度パフォーマンスを備えたモジュールを選択してください。
まとめ
低照度のパフォーマンスによって、カメラ モジュールが薄暗い環境で使用可能な画像をどの程度生成できるかが決まります。これは、ピクセル サイズ (大きいほど良い)、BSI テクノロジー、レンズの絞り、ISP ノイズ リダクション、およびフレーム レートによって異なります。カメラ モジュールを選択するときは、内視鏡用のミニ カメラ モジュール、セキュリティ用の USB カメラ モジュール、カスタム デバイス用の OEM カメラ モジュール、バーコード スキャナ用のオート フォーカス カメラ モジュール、ウェブカメラ用の UVC カメラ モジュール、組み込みビジョン用の cmos カメラ モジュール、またはプロトタイプ用の raspberry pi カメラ モジュール v3 のいずれであっても、常にセンサーのピクセル サイズと BSI を使用しているかどうかを確認してください。非常に暗い場所では、IR 照明を追加し、フレーム レートを下げることを検討してください。
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