科学計測用CMOSカメラCP002の基礎的特性の測定 科学計測用カメラの基礎的な特性である入出力特性、ダイナミックレンジ、 エレクトロン／カウント変換係数、SN比特性を測定しました。 エレクトロン／カウント変換係数の測定は、Photon Transfer Method１） と直接的な方法との両方で行いました。なお、今回のデータはすべてカメラ ゲイン１で測定しました。 1) James R. Janesick, Kenneth P. Klaasen and T. Elliott, Chargecoupled-device charge-collection efficiency and the photon-transfer technique , OPTICAL ENGINEERING, Vol.26 No.10, 1987 １．入出力特性の測定 入出力特性 入出力特性は、カメラが計測器として使え るかどうかを示す重要な特性です。この特性 10000 が線形であれば、画像の定量化が可能になり ます。測定では輝度が非常に暗い状態からか なり明るい状態まで変化する白色LEDの発光 傾き 1 1000 面をCP002で撮像して、輝度をグラフの横軸 にまたCP002出力を縦軸に取り、取得データ をプロットすることにより測定しました。白 色LEDの輝度は、分光放射輝度計で測定しま 出力 （カウント） 100 10 した。 図１に結果を示します。入射光量比で数 1 1 10 100 1000 10000 千：１の広い範囲に渡って入出力特性が線形 であることが確認できます。 この線形に応答する範囲がダイナミックレ ンジです。次にこの範囲を正確に求めます。 0.1 入射光量 (A.U.) 図１ 入出力特性：縦軸、横軸ともに対数なので傾きが １よりγ=1を示している ２．ダイナミックレンジの測定 ダイナミックレンジの定義として、ピクセルの飽和電荷量(e-)を読み出しノイズ(e- r.m.s.)で割ったとき の数値がよく使われています。ここではカメラのADコンバータの最大出力カウントを、カウント値に換算 したノイズで割ってダイナミックレンジとしています。 CP002のADコンバータは12bitなので、最大出力カウントは2^12-1、4095カウントです。読み出しノ イズは、図２のPhoton transfer curveから求めたところ約0.9カウントでした。これらの値からダイナ ミックレンジD.R.を計算すると、約73dBとなります。 D.R.=20Log 4095 ! 73dB 0.9 ３．エレクトロン／カウント変換係数の測定 Photon Transfer Curve エレクトロン／カウント変換係数とは、AD変換さ 100 れたカメラ出力の１カウントが、光子によってピク セル内のフォトダイオードに発生した光電子何エレ クトロンに相当するかを表している係数です。この 傾き 1/2 係数と波長毎の量子効率つまり分光感度がわかって いれば、撮像した画像のカウント値からイメージセ ンサーの１ピクセルに入射する光子数を推定するこ 標準偏差 （カウント） 10 とができます。さらにカメラレンズのF値や分光透過 率等がわかっていれば、被写体の放射輝度の推定も 可能となります。 読出しノイズ 0.9 count Photon Transfer Methodによりこの係数を求め ます。図２に結果を示します。横軸はカメラ出力、 縦軸は画像100 x 100ピクセルの標準偏差です。標 1 4.5 5.0 e-‐/count 0.1 0.1 1 10 100 カメラ出力（カウント） 1000 準偏差=1における横軸の切片が係数の値となります。 カメラ出力の減少に伴い標準偏差は一定値に近づい て行きます。入射光量に依存しないこの一定値が読 み出しノイズとなります。 図２ Photon Transfer Curve：光源は波長590nmのLED 測定結果は、エレクトロン／カウント変換係数が4.5∼5.0 e-/count、読み出しノイズは0.9countでし た。グラフでは線の引き方で値が変わってしまいがちです。差分画像の分散値と画像輝度値の平均値から 計算により求めることもできます。この方法では変換値は4.8 e-/countでした。 またLED光源の光拡散板における分光放射輝度の測定値と、カメラレンズの光学特性からイメージセン サーの１ピクセルに入射する光子数を計算しました。この光子数の値と、量子効率、LED光源を撮像した ときの画像輝度値（カウント）から求めたエレクトロン／カウント変換係数は5.0 e-/countとなり、 Photon transfer methodによる値といい一致を示しました。 ４．信号対雑音（S／N比）特性の測定 S／N比特性 撮像された画像の信号と雑音の比（S/N比, 1000 SNR）は、画質の目安となります。一般に次式で定 義されます。 SNR= N pQt N pQt+Dt+! 2 r 読み出しノイズが 支配的な領域 100 傾き 1/2 式の中のNp、Q、t、D、σr^2は、それぞれ１秒間に １ピクセルに入射する光子数、量子効率、露光時間、 SN比 暗電流（１秒間に１ピクセルに発生する）そして読 光子ノイズが 支配的な領域 10 み出しノイズとなります。 入射光量を一定に保った状態で露光時間を変えて 撮像したときのS/N比特性を右図に示します。露光 時間が非常に短い領域では、入射光量も微弱で暗電 0.05 1 0.5 5 50 500 流も小さいために、ノイズのなかでは読み出しノイ ズが支配的になりSNRの値は露光時間に比例します。 一方光量が増えると光子ショットノイズが支配的に なり、SNRの値は露光時間にの平方根に比例します。 S/N比が理論式で記述されることが確認できまし た。S/N比の推定が可能です。 傾き 1 0.1 露光時間 (msec) 図３ S/N比特性：露光時間が長くなると理論式の分母の暗電流 と読み出しノイズの項が無視できるようになり、傾きは露 光時間の平方根に比例するようになる
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