Русский
Понимание пиксельного расстояния в камерах: Полное руководство на 2025 год
Создано 2025.12.03
Если вы когда-либо задумывались, почему камера смартфона на 50 МП иногда делает хуже фотографии при низком освещении, чем 12 МП DSLR, или почему промышленные инспекционные камеры полагаются на конкретные характеристики пикселей для точных измерений, ответ, вероятно, кроется в шаге пикселя. Эта часто игнорируемая спецификация является незаслуженно недооцененным героем производительности камерных модулей, определяя все, от качества изображения в потребительских устройствах до точности систем машинного зрения в промышленности. В 2025 году, когда технологии камер продолжают развиваться — с меньшими сенсорами, которые питают все, от смартфонов до тепловизионных дронов — понимание шага пикселя никогда не было столь важным.
В этом руководстве мы разъясним понятие пиксельного шага, разберем его влияние накамера модульпроизводительность, исследуйте, как она варьируется в разных отраслях, и делитесь практическими рекомендациями по выбору правильного пиксельного шага для вашего приложения. Независимо от того, являетесь ли вы дизайнером продукта, любителем фотографии или инженером, создающим промышленные системы визуализации, это глубокое погружение обеспечит вас знаниями, необходимыми для принятия обоснованных решений о спецификациях модулей камер.
Что такое шаг пикселя в модулях камер?
Давайте начнем с основ: шаг пикселя (также называемый размером пикселя в некоторых контекстах) — это физическое расстояние между центрами двух смежных пикселей на сенсоре камеры, измеряемое в микрометрах (µm). Например, сенсор с шагом пикселя 3,45 µm означает, что каждый пиксель расположен на расстоянии 3,45 микрометра от своего соседа. Это не следует путать с количеством пикселей (мегапиксели), которое относится к общему количеству пикселей на сенсоре — в то время как мегапиксели определяют разрешение, шаг пикселя определяет, сколько света каждый пиксель может собрать и сколько деталей сенсор может разрешить.
Чтобы визуализировать это, представьте себе сетку квадратов на холсте: шаг пикселей — это промежуток между каждым квадратом, в то время как сам холст представляет собой размер сенсора. Меньший шаг означает, что в тот же холст помещается больше квадратов (пикселей), увеличивая плотность выборки — скорость, с которой сенсор захватывает пространственные детали. Напротив, больший шаг создает больше пространства между пикселями, позволяя каждому пикселю покрывать большую площадь кремния и собирать больше фотонов (световых частиц).
Этот фундаментальный компромисс — плотность выборки против сбора света — является краеугольным камнем проектирования пиксельного шага. Как мы увидим позже, не существует универсального пиксельного шага; оптимальное значение полностью зависит от предполагаемого использования камеры.
Как пиксельный шаг влияет на производительность модуля камеры
Пиксельный шаг напрямую влияет на три ключевых показателя производительности камерных модулей: светочувствительность, разрешение и детализацию, а также отношение сигнал/шум (SNR). Давайте разберем каждую из этих взаимосвязей:
Чувствительность к свету и производительность при низком освещении
Наиболее значительное влияние пиксельного шага заключается в способности сенсора захватывать свет. Более крупные пиксели имеют большую площадь поверхности кремния для сбора фотонов, что приводит к лучшей производительности при низком освещении. Например, камера смартфона с пиксельным шагом 1.0 мкм (распространенный в современных телефонах с высоким разрешением) будет испытывать трудности в тусклом освещении, поскольку каждый пиксель захватывает гораздо меньше света, чем пиксель 4.0 мкм в сенсоре DSLR. Вот почему флагманские смартфоны часто используют технологию «пиксельного биннинга» — комбинируя четыре пикселя 1.0 мкм в один пиксель 2.0 мкм — чтобы имитировать способность к сбору света более крупных пикселей.
В отличие от этого, промышленные метрологические камеры, такие как Kaya Vision Iron 661, используют пиксельный шаг 3,45 мкм для балансировки светочувствительности и точности. Хотя этот шаг меньше, чем у DSLR, квантовая эффективность сенсора (63% при 520 нм) и низкий временной шум (ниже 2,7 e⁻) компенсируют уменьшение сбора света, обеспечивая точные измерения даже в контролируемых условиях освещения.
Разрешение и пространственная детализация
Меньший шаг пикселей увеличивает плотность выборки, что позволяет датчику захватывать более тонкие детали. Для таких приложений, как инспекция полупроводниковых пластин или контроль качества автомобильных деталей, маленький шаг пикселей (например, 2,5 мкм или меньше) позволяет камере разрешать крошечные дефекты, которые были бы невидимы для датчика с большим шагом. Вот почему камеры машинного зрения с высоким разрешением часто имеют шаг пикселей менее 4 мкм — они придают приоритет деталям, а не производительности при низком освещении, так как эти системы обычно работают в хорошо освещенных условиях.
Однако существует предел, насколько малым может быть шаг пикселей, прежде чем начнут действовать ограничения дифракции. Когда пиксели слишком малы, оптическая система (объектив) не может проецировать свет на них с достаточной точностью, что приводит к размытым деталям и снижению четкости. Это критически важный аспект для дизайнеров камерных модулей: уменьшение шага пикселей за определенную точку не дает дополнительной выгоды в разрешении.
Отношение сигнал/шум (SNR)
SNR измеряет соотношение полезного сигнала изображения к нежелательному шуму (например, зернистости на фотографиях). Меньший шаг пикселя уменьшает количество света, которое собирает каждый пиксель, что снижает сигнал и увеличивает шум — особенно в условиях низкой освещенности. Например, сенсор с шагом пикселя 1,2 мкм может иметь SNR 30 дБ при тусклом свете, в то время как сенсор с шагом пикселя 2,4 мкм от того же производителя может достичь 45 дБ при тех же условиях.
Чтобы смягчить это, производители модулей камер используют современные сенсорные технологии, такие как сенсоры с задней подсветкой (BSI) и стековые конструкции CMOS, которые улучшают поглощение света в маленьких пикселях. Инфракрасные (IR) модули камер Teledyne FLIR, например, используют пиксельные шаги 8 мкм и 15 мкм для систем среднего волнового ИК (MWIR), чтобы поддерживать высокое отношение сигнал/шум (SNR), одновременно уменьшая размер, вес и мощность (SWaP-C) модулей.
Пиксельный шаг в различных отраслях: Дизайн, ориентированный на конкретные приложения
Требования к пиксельному шагу значительно различаются в разных отраслях, так как каждое приложение приоритизирует различные показатели производительности. Давайте рассмотрим, как пиксельный шаг оптимизируется для трех ключевых секторов в 2025 году:
Потребительская электроника (Смартфоны, Камеры)
В индустрии смартфонов тенденция к меньшим пиксельным шагам (от 0.7 мкм до 1.4 мкм) обусловлена необходимостью высокой мегапиксельной плотности в компактных сенсорах. Например, сенсор размером 1 дюйм с пиксельным шагом 1.0 мкм может вместить 200 МП, в то время как пиксельный шаг 1.4 мкм ограничит его до 108 МП. Однако эти маленькие пиксели жертвуют производительностью при низком освещении, поэтому производители сочетают их с большими диафрагмами (например, объективы f/1.4) и биннингом пикселей для компенсации.
Для потребительских зеркальных и беззеркальных камер акцент делается на более крупные пиксельные шаги (от 3,0 до 6,0 мкм), чтобы обеспечить превосходное качество изображения и динамический диапазон. Например, полнокадровый сенсор с пиксельным шагом 4,3 мкм может захватывать больше света и деталей, чем сенсор смартфона, что делает его идеальным для профессиональной фотографии.
Промышленное машинное зрение и метрология
Промышленные камеры требуют пиксельных шагов, которые балансируют разрешение и точность измерений. Метрологические камеры, используемые для инспекции 300-мм полупроводниковых пластин или кузовных панелей автомобилей, часто используют пиксельный шаг 3,45 мкм (например, сенсор Sony IMX 661 в камере Iron 661 от Kaya Vision). Этот шаг обеспечивает разрешение 128 МП с диагональным сенсором 56,7 мм, позволяя камере захватывать тонкие детали, сохраняя при этом достаточно широкий угол обзора для одновременной инспекции целых объектов.
Сокращение пиксельного расстояния еще больше (например, до 2,0 мкм) увеличит разрешение, но уменьшит полную емкость сенсора (количество света, которое пиксель может удерживать перед насыщением) и динамический диапазон. Для промышленных приложений этот компромисс часто неприемлем, так как точное определение краев и измерение требуют низкого уровня шума и высокого динамического диапазона.
Инфракрасная тепловая съемка
Модули ИК-камер сталкиваются с уникальными проблемами пиксельного шага, так как меньшие пиксели уменьшают размер, вес, мощность и стоимость (SWaP-C) тепловизионных систем — критически важные для дронов, носимых устройств и автомобильных тепловых датчиков. В 2025 году камера Neutrino SX8-CZF компании Teledyne FLIR использует пиксельный шаг 8 мкм в диапазоне MWIR, что меньше, чем 15 мкм в предыдущих поколениях, для создания компактных тепловых ядер для дронов дальнего радиуса действия.
Однако меньшие IR пиксели требуют более быстрых f-чисел (широких диафрагм), чтобы поддерживать чувствительность, так как они собирают меньше инфракрасных фотонов. Это означает, что хотя меньшие пиксельные шаги позволяют миниатюризацию, они также требуют более продвинутого оптического дизайна, чтобы избежать ухудшения производительности.
Сбалансировка пиксельного шага и размера сенсора: Золотая середина
Пиксельный шаг не существует в изоляции — его необходимо сочетать с размером сенсора для достижения оптимальной производительности. Размер сенсора определяет общее количество пикселей и угол обзора (FOV), в то время как пиксельный шаг определяет плотность выборки. Чтобы визуализировать этот баланс, представьте себе диаграмму компромисса:
• Ось X (пиксельный шаг): Меньшие значения увеличивают разрешение, но уменьшают сбор света.
• Ось Y (диагональ сенсора): Более крупные значения увеличивают угол обзора, но увеличивают стоимость и размер системы.
«Сладкая точка» для большинства высокопроизводительных камерных модулей находится в верхнем левом квадранте этой диаграммы: маленький шаг пикселя для высокого разрешения, в сочетании с большим сенсором для широкого поля зрения. Камеры Kaya Vision Iron 661 и Zinc 661 являются примерами этого баланса, с шагом 3,45 мкм и форматом сенсора 3,6 дюйма, обеспечивающим динамический диапазон 70,8 дБ и полную емкость 9 825 e⁻.
При проектировании модуля камеры инженеры также должны учитывать четыре взаимосвязанных ограничения:
1. Круг изображения объектива: Объектив должен равномерно освещать весь сенсор.
2. Размер системы: Более крупные датчики требуют больших, более дорогих объективов.
3. Однородность освещения: Широкий угол обзора требует более строгого контроля над освещением.
4. Данные пропускной способности: Большее количество пикселей генерирует больше данных, требуя более быстрых интерфейсов (например, PCIe Gen 3 или CoaXPress 2.1).
2025 Тренды в технологии пиксельного шага
Индустрия камерных модулей быстро развивается, и три ключевых тренда формируют дизайн пиксельного шага в 2025 году:
1. Меньшие пиксельные шаги ИК для оптимизации SWaP-C
По мере того как тепловизионная съемка становится основной в потребительских и промышленных устройствах, производители уменьшают расстояния между пикселями ИК до 8 мкм (MWIR) и 12 мкм (LWIR). Это позволяет создавать компактные тепловые ядра для смартфонов, носимых устройств и IoT-устройств, не жертвуя диапазоном обнаружения.
2. Компенсация пиксельного шага на основе ИИ
Искусственный интеллект используется для смягчения недостатков малых пиксельных шагов. Например, алгоритмы шумоподавления на основе ИИ могут улучшить работу в условиях низкой освещенности в камерах смартфонов с пикселями 1,0 мкм, в то время как модели машинного обучения повышают точность измерений в промышленных камерах с малыми пиксельными шагами.
3. Гибридные пиксельные шаги для мультимодальной визуализации
Некоторые модули камер теперь имеют переменные размеры пикселей — большие пиксели для условий низкой освещенности и маленькие пиксели для захвата высокоразрешающего изображения при дневном свете. Этот гибридный дизайн, наблюдаемый в камерах следующего поколения для автомобилей, балансирует универсальность и производительность.
Как выбрать правильное расстояние между пикселями для вашего модуля камеры
Выбор оптимального пиксельного шага зависит от приоритетов вашего приложения. Следуйте этим шагам, чтобы принять обоснованное решение:
1. Определите свои основные требования: Вам нужно высокое разрешение, производительность при слабом освещении или широкий угол обзора? Например, камера безопасности придает приоритет чувствительности при слабом освещении (больший шаг), в то время как сканер штрих-кодов нуждается в высоком разрешении (меньший шаг).
2. Учитывайте рабочую среду: Промышленные камеры в ярких лабораториях могут использовать меньшие шаги, в то время как уличные камеры наблюдения нуждаются в больших пикселях для надежности при низком освещении.
3. Сбалансируйте пиксельный шаг с размером сенсора: используйте диаграмму компромисса, чтобы найти оптимальное соотношение между разрешением и полем зрения.
4. Оцените поддерживающие технологии: ищите датчики с дизайном BSI, биннингом пикселей или схемами считывания с низким уровнем шума, чтобы компенсировать небольшие шаги пикселей.
Заключение
Пиксельный шаг является основой производительности модулей камер, влияя на все, от качества изображения до точности измерений в потребительских, промышленных и аэрокосмических приложениях. В 2025 году, по мере того как технологии камер продолжают миниатюризироваться и развиваться, понимание того, как пиксельный шаг взаимодействует с размером сенсора, оптикой и требованиями к использованию, будет иметь решающее значение для всех, кто разрабатывает или выбирает модули камер.
Независимо от того, создаете ли вы камеру для смартфона, промышленную инспекционную систему или тепловизионный дрон, помните: мегапиксели — это не всё. Правильное расстояние между пикселями, в сочетании с хорошо спроектированным сенсором и объективом, всегда обеспечит лучшую производительность, чем сенсор с высоким количеством мегапикселей и плохо оптимизированным расстоянием. Приоритизируя расстояние между пикселями в спецификациях вашего модуля камеры, вы раскроете весь потенциал вашей системы изображения — независимо от применения.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
WhatsApp
WeChat