Wanneer u een cameramodule gebruikt in een slecht verlichte kamer, onder maanlicht of in een donkere pijp, wordt het beeld vaak korrelig, donker of wazig. Het vermogen van een camera om onder dergelijke omstandigheden een bruikbaar, helder beeld te produceren, wordt genoemdprestaties bij weinig licht. Dit is een van de belangrijkste specificaties voor veel toepassingen – van een minicameramodule in een medische endoscoop tot een USB-cameramodule voor nachtelijke beveiliging. In dit artikel leggen we uit wat prestaties bij weinig licht betekenen, welke factoren hierop van invloed zijn en hoe u een cameramodule kiest die goed presteert in het donker.
Waarom prestaties bij weinig licht belangrijk zijn
Een camera die het moeilijk heeft bij weinig licht, zal de sensor dwingen het signaal te versterken (versterking verhogen), waardoor ook willekeurige elektronische ruis wordt versterkt. Het resultaat is een luidruchtig, "besneeuwd" beeld met minder detail. Bij kritieke toepassingen – zoals een chirurgische endoscoop, een nachtzichtsysteem voor auto's of een nachtelijke natuurcamera – kunnen slechte prestaties bij weinig licht leiden tot gemiste diagnoses, ongelukken of verloren gegevens.
Zelfs voor een eenvoudige USB-cameramodule die voor huisinspectie wordt gebruikt, betekent het goede vermogen bij weinig licht dat u in donkere hoeken kunt kijken zonder dat u krachtig extern licht nodig heeft.
Hoe worden de prestaties bij weinig licht gemeten?
Er is geen enkel universeel nummer, maar fabrikanten specificeren vaak:
Minimale verlichting– Het laagste lichtniveau (in lux) waarbij de camera een bruikbaar beeld kan produceren. Een typisch binnenkantoor heeft een lichtopbrengst van ongeveer 300-500 lux; maanlicht is ongeveer 0,1-0,3 lux.
Signaal-ruisverhouding (SNR)– Bij weinig licht betekent een hogere SNR minder zichtbare ruis.
Gevoeligheid– Vaak uitgedrukt in mV per lux·s (millivolt per lux per seconde) voor de sensor.
Een goede cameramodule bij weinig licht kan werken bij 0,1 lux of minder, vaak met behulp van infraroodverlichting.
Belangrijkste factoren die de prestaties bij weinig licht beïnvloeden
1. Pixelgrootte (sensorontwerp)
De meest fundamentele factor is de grootte van elke pixel op de cmos-cameramodulesensor. Grotere pixels vangen meer fotonen (lichtdeeltjes) op dan kleinere pixels. Een pixel van 2,9 µm (micrometer) breed verzamelt bijvoorbeeld ongeveer vier keer zoveel licht als een pixel van 1,4 µm. Daarom zal een sensor met grotere pixels bij een bepaalde resolutie veel beter presteren bij weinig licht.
Dit is de reden waarom een 2 MP minicameramodule met grote pixels schonere nachtbeelden kan produceren dan een 8 MP-module met zeer kleine pixels, ook al heeft de 8 MP-module een hogere resolutie.
2. Back-illuminated (BSI) technologie
Traditionele sensoren hebben bedrading boven het lichtgevoelige gebied, waardoor een deel van het licht wordt geblokkeerd. BSI-sensoren draaien de structuur om en plaatsen de bedrading achter de fotodiodes. Hierdoor kan meer licht de pixels bereiken, waardoor de gevoeligheid bij weinig licht met 30-50% wordt verbeterd in vergelijking met niet-BSI-sensoren met dezelfde pixelgrootte. Bijna alle moderne cmos-cameramodulesensoren voor endoscopie of bewaking maken gebruik van BSI.
3. Lensopening (f-getal)
De lens bepaalt hoeveel licht de camera binnenkomt. Een lens met een lager f-getal (bijvoorbeeld f/1.8) laat meer licht binnen dan een lens met een hoger f-getal (bijvoorbeeld f/2.8). Een cameramodule met autofocus heeft vaak een gemiddeld diafragma (f/2.0‑f/2.4) dat de balans biedt tussen lichtinval en scherptediepte. Voor extreem weinig licht is een module met vaste focus en een zeer laag f-getal (f/1.4) ideaal, maar deze heeft een geringere scherptediepte.
4. Sensortechnologie (BSI, gestapeld, Global Shutter)
Back-illuminated (BSI) en gestapelde CMOS-sensoren zijn het beste bij weinig licht. Global Shutter-sensoren hebben doorgaans een iets lagere gevoeligheid dan rolluiksensoren met dezelfde pixelgrootte, maar ze hebben de voorkeur als de scène snelle bewegingen bevat.
5. Ruisreductie en beeldverwerking
De beeldprocessor (ISP) van de camera kan ruimtelijke ruisonderdrukking (het huidige frame vloeiender maken) en temporele ruisonderdrukking (het gemiddelde nemen van meerdere frames) toepassen. Een goed afgestelde UVC-cameramodule kan een helderder beeld produceren, maar dan met een klein verlies aan fijne details. Sommige geavanceerde modules maken ook gebruik van multi-frame HDR-technieken om schaduwen helderder te maken zonder de highlights te laten vervagen.
6. Framesnelheid en belichtingstijd
Bij zeer weinig licht kan de camera automatisch de framesnelheid verlagen (bijvoorbeeld van 30 fps naar 15 fps) om een langere belichtingstijd per frame mogelijk te maken. Dit verzamelt meer licht, maar maakt de video minder vloeiend. Voor een Raspberry Pi-cameramodule v3 kunt u de framesnelheid handmatig verlagen in de software (libcamera‑vid --framerate 15) om de beeldkwaliteit bij weinig licht te verbeteren.
Hoe u de prestaties bij weinig licht in uw cameramodule kunt verbeteren
Kies een grotere sensor (als de maat het toelaat)– Een 1/2,8″-sensor met 2,9 µm pixels presteert beter dan een 1/4″-sensor met 1,4 µm pixels.
Selecteer een BSI-sensor– De meeste Sony IMX-sensoren (bijv. IMX290, IMX307) gebruiken BSI.
Gebruik een lens met een groter diafragma– f/2.0 of lager indien mogelijk.
Voeg infraroodverlichting (IR) toe– Gebruik voor totale duisternis IR-LED's (850 nm of 940 nm) en een camera zonder IR-cut-filter.
Verlaag de framesnelheid– Ruil zachtheid in voor helderheid.
Gebruik tijdelijke ruisonderdrukking– Het middelen van frames vermindert de ruis, maar kan nevenbeelden veroorzaken als de scène beweegt.
Prestaties bij weinig licht in verschillende typen cameramodules
Minicameramodule (voor endoscopie)– Deze hebben zeer kleine sensoren (1/9″ tot 1/6″) en kleine lenzen. Hun prestaties bij weinig licht zijn inherent beperkt. Ter compensatie gebruiken endoscoopcameramodules heldere LED's zeer dicht bij de lens. Voor medisch gebruik is de lichtopbrengst beperkt om weefselverhitting te voorkomen, dus de gevoeligheid van de camera is van cruciaal belang.
USB-cameramodule (UVC)– Veel UVC-cameramodules voor webcams gebruiken kleine sensoren met een gemiddeld vermogen bij weinig licht. Professionele UVC-cameramodules voor bewaking of industriële inspectie maken echter vaak gebruik van BSI-sensoren en grotere pixels. Ze ondersteunen ook automatische versterkings- en belichtingsaanpassingen.
OEM-cameramodule– Wanneer u een op maat gemaakte OEM-cameramodule ontwerpt, kunt u elk aspect optimaliseren voor weinig licht: kies een BSI-sensor met grote pixels, specificeer een glazen lens met een diafragma van f/1.8 en stem de ruisonderdrukking van de ISP af. Dit is de beste manier om uitstekende prestaties bij weinig licht te bereiken voor een specifieke toepassing.
Autofocuscameramodule– Autofocus voegt een bewegend lenselement toe, waardoor het maximale diafragma enigszins kan worden verkleind. Veel autofocusmodules halen echter nog steeds f/2.0‑f/2.4, wat goed is bij weinig licht. Het voordeel is dat je ook bij weinig licht kunt scherpstellen op voorwerpen dichtbij.
Raspberry Pi-cameramodule V3– De officiële Raspberry Pi-camera maakt gebruik van een Sony IMX708-sensor (BSI, 1,4 µm pixels in 4:3-modus). De prestaties bij weinig licht zijn redelijk voor een consumentenmodule, maar niet zo goed als die van een speciale industriële camera bij weinig licht. U kunt dit verbeteren door de framesnelheid te verlagen en de optie --nopreview te gebruiken om CPU-overhead te voorkomen.
Praktisch voorbeeld
Stel dat u een minicameramodule nodig heeft voor een nachtelijke drone-inspectie. Je hebt twee opties:
Optie A: 720p-sensor met 2,2 µm pixels, BSI, f/2.0-lens.
Optie B: 1080p-sensor met 1,4 µm pixels, niet-BSI, f/2.8-lens.
Optie A levert een veel helderder nachtbeeld op, ook al is de resolutie lager. Voor de drone-taak heb je geen 1080p nodig – je moet het onderwerp duidelijk zien in het donker. Kies daarom de module met betere prestaties bij weinig licht.
Samenvatting
De prestaties bij weinig licht bepalen hoe goed een cameramodule een bruikbaar beeld kan produceren in donkere of donkere omstandigheden. Het hangt af van de pixelgrootte (groter is beter), BSI-technologie, lensopening, ISP-ruisonderdrukking en framesnelheid. Bij het selecteren van een cameramodule – of het nu gaat om een minicameramodule voor endoscopie, een USB-cameramodule voor beveiliging, een OEM-cameramodule voor een aangepast apparaat, een autofocuscameramodule voor een barcodescanner, een UVC-cameramodule voor een webcam, een cmos-cameramodule voor embedded vision of een Raspberry Pi-cameramodule v3 voor een prototype – controleer altijd de pixelgrootte van de sensor en of deze gebruikmaakt van BSI. Overweeg bij zeer weinig licht IR-verlichting toe te voegen en de framesnelheid te verlagen.
Als u een cameramodule nodig heeft die is geoptimaliseerd voor toepassingen bij weinig licht, neem dan contact op met Sincere. Wij ontwerpen en produceren op maat gemaakte OEM-cameramodules met hooggevoelige CMOS-sensoren, grote pixels en snelle lenzen, afgestemd op uw omgeving.
