原标题：关于工业摄像机的灵敏度

在给客户推荐工业相机过程中，经常有客户会问“这台相机的灵敏度怎么样”，通常情况下，客户都会参照民用数码相机上的一些指标概念（例如ISO值），一般都知道高ISO拍到的照片会比低ISO拍到的照片，在灵敏度或者成像质量方面要好一些。

但对于工业相机来说，灵敏度的概念和普通数码相机还是有区别的。工业相机厂家通常会在datasheet里面标注和灵敏度相关的一些指标，例如最小光照度、光谱曲线等，然而由于单位的不一致，这些指标并不能直接评估和对比相机的灵敏度如何。

CCD的成像原理是通过成像单元（像素）把光子转换成电荷来成像的。像素单元由光敏二极管和外围电路（负责把电荷从像素转移到输出寄存器）。影响相机灵敏度的指标有填充因子（fill factor），量子效率（QE）和电荷转换(charge conversion)等。

填充因子表示进到sensor里的光线有多少能够击中像素里的光敏二极管区域。帧转移CCD的结构决定了几乎像素里面的所有区域都是光敏区域，因此填充因子可以达到100%。对于行转移CCD（ITCCD，工业相机sensor的架构基本都是行转移CCD），像素的面积由光敏二极管、传输门电路和移位寄存器电路组成，如图Fig.1a。由于每个像素都集成了转移电路，这种架构对于机器视觉应用来说，好处就是输出快，也就是帧率高，但另一方面这些电路导致像素的光敏区域减少到30%左右。为了弥补本身架构导致的光敏面积小，ITCCD通常会在像素上增加微透镜，可以吸收更多的光线，因此ITCCD的填充因子一般可以达到60%到70%，如图Fig. 1b。

填充因子表示的是场景中有多少光线可以被像素单元所捕获，而量子效率（QE）表示的是像素把捕获到的光子转化成电荷的能力。因此，如果CCD在某个波长上的QE值是33%，则表示每三个击中光敏二极管的光子，只能转化成一个电荷，如图Fig.2。

QE值是随着波长不同而变化的，用坐标轴来表示量子效率曲线，QE值通常是Y轴，用“绝对量子效率”（absolute quantum efficiency）或者“绝对量子响应”表示，如图Fig.3。然而并不是所有响应曲线的表示方法都是一致的。有一些，是用“相对响应”或者“相对灵敏度”（relative response）来表示的，虽然也能表示响应曲线随波长的变化，但其值不能直接用来对比相机的灵敏度差异。因为在某个相对响应曲线上的最大值（1.0）在另一个相对响应曲线上也许表示的是一个非常不同的QE数值。此外，相对灵敏度的测量也包括电荷转换。

注：左图表示绝对灵敏度，Y轴的值是sensor真实的QE值。右图表示相对灵敏度，只能在曲线走势上（形状上）和其它sensor对比，但值不能用来直接比较。

电荷转换（也被用来表示像素灵敏度）是用来测量像素里的每个电荷能转换成多少电压，如图Fig.4。如果我们把QE值和电荷转换综合起来考虑，应该可以找到一个灵敏度的对比基准。不幸的是，只有Kodak sensor提供了电荷转换因子，Sony并没有提供。最新的Kodak sensor的电荷转换因子大约是31微伏/电荷，Sony并没有提供这些信息，但大概估算一下，比较新的Sony sensor转换因子大概是8-10微伏/电荷。

注：在例图中，高电荷转换（虽然QE低）产生的电压比低电荷转换（虽然QE高）要高！

最后，灵敏度其实是测量相机成像时输出电压能够很容易和噪声区别开时的最小光照。在相对低光照情况下，sensor有好的填充因子，QE值和电荷转换，便能够达到这个电压输出水平。信噪比高的相机即使在低光照下也能产生有效的电压输出水平，因为高增益不会产生太多的噪声。

如果灵敏度是填充因子，QE，电荷转换，系统噪声综合的结果，是不是很容易可以分辩出哪个相机灵敏度更高？答案是否定的，并不是简单的可以断定QE高的灵敏度就高。因为，成像器件的选择是基于增益，颜色饱和度，对比度和其它因素例如ISO速度的，应该考虑多个因素，而不只是灵敏度。

相机厂商不同，测量方法不同，因此很难在不同厂商的产品之间进行指标对比。欧洲视觉联盟正在努力开发一套测量相机灵敏度的标准，叫做“EMVA 1288标准”，这个标准会采用相同的计算方法来测量，计算和表示相机的具体参数。