Grens van infraroodgevoeligheid voor verschillende camerasensoren

Welke camera is eigenlijk het beste voor infrarood? Is model X geschikter voor IR dan model Y? Door jarenlange ervaring is het antwoord altijd geweest: "Het maakt niet echt veel verschil". Dit onderbuikgevoel is meer dan voldoende voor creatieve IR-fotografie en daarmee zou het artikel kunnen eindigen. Maar voor bepaalde toepassingen, vooral voor Elektroluminescentiemetingen van fotovoltaïsche modules kan de werkelijke gevoeligheid op de limiet van de camerasensoren aanzienlijk zijn. Deze lang gekoesterde veronderstelling kan nu worden ondersteund door een paar degelijke metingen van verschillende CMOS-sensoren. Het bedrijf SurfLabX uit Taufkirchen heeft in zijn laboratorium verschillende gemodificeerde full-spectrum camera's van IRreCams gemeten en wij kunnen de resultaten nader bekijken.

Een korte samenvatting

Om het kort samen te vatten voor degenen onder ons die haast hebben: Alle geteste full-spectrum camera's waren in staat om infrarood licht waar te nemen in het bereik van 1.000 nm tot 1.200 nm. Het maakte geen significant verschil of er een full-frame, APS-C of MicroFourThirds sensor was geïnstalleerd en ook de fabrikant van de sensoren (Canon, Panasonic, Sony) leek geen significante invloed te hebben op het resultaat. Ook een moderne Backside Iluminated sensor (BSI) heeft geen fundamenteel voordeel ten opzichte van een gewone Frontside Iluminated sensor.
Boven 1200 nm kon vrijwel geen gevoeligheid worden gemeten met de camera's; waarschijnlijk is hier een technische limiet van het halfgeleidermateriaal (silicium) bereikt. Het komt erop neer dat vergelijkbare goede resultaten kunnen worden behaald in het nabije infrarood met alle camera's en sensoren van de afgelopen jaren.

De doorslaggevende factoren voor de beeldkwaliteit zijn eerder het ruisgedrag en het dynamisch bereik van de camera (deze kengetallen zijn beschikbaar in het zichtbare bereik via verschillende tests). Zaken als ergonomie, autofocussnelheid en beschikbare lenzen zouden veel doorslaggevender criteria moeten zijn als het gaat om de vraag welke camera het beste is voor infrarood. Want deze vraag is, net als in het zichtbare bereik, zeer subjectief.

Experimentele opstelling en kwalitatieve analyse

En nu de lange versie, laten we eerst eens kijken hoe de camera's werden getest. Er werd een monochromator gebruikt om een monochromatische lichtstraal rechtstreeks op de sensor van de camera's te richten. Er was geen lens op de camera's gemonteerd, zodat de straling ongehinderd de camerasensor kon raken. De beelden werden vervolgens vastgelegd bij ISO 200 met een belichtingstijd van 1/30 s elk in RAW-formaat voor verdere verwerking. Hier is een collage van de afzonderlijke beelden zonder extra bewerking.

De linkerkant toont een Canon EOS RP met alleen het eerste blokkeringsfilter verwijderd (de camera is ongeveer gelijk aan een astroconverter), terwijl de rechterkant een full-spectrum Canon EOS RP toont. Met het blote oog is te zien dat de infrarode straling boven 700 nm alleen een signaal op de sensor kan genereren na een volspectrumconversie. In de donkere velden is zonder bewerking echter maar weinig te herkennen. Om de zichtbaarheid voor het oog te verbeteren, werd de helderheid van alle afzonderlijke beelden gelijkgemaakt tot een uniform niveau.

Deze afbeelding toont links de onbewerkte versie van het volledige spectrum RP en rechts de opgehelderde beelden van hetzelfde bestand. Zoals te verwachten was, is er aanzienlijk meer informatie in de donkere gebieden van de RAW-bestanden dan de onbewerkte beelden zouden suggereren. Tegelijkertijd is de ruis echter helderder geworden en toegenomen door de verwerking. In de laatste 3 beelden kun je zien hoe het eigenlijke signaal steeds meer wordt overstemd door de ruis en dreigt te verdwijnen.

Als we nu de Canon EOS RP zonder het eerste blokkeringsfilter nog eens vergelijken met de volspectrum RP, dan is heel duidelijk te zien dat er zonder volspectrummodificatie vrijwel alleen ruis doorkomt. Voor infrarood licht is zo'n camera, of een ongemodificeerde camera, absoluut onbruikbaar. Af en toe kunnen kleinere signalen worden waargenomen (bijv. bij 910 - 940 nm), deze zijn waarschijnlijk te wijten aan het feit dat het nog geïnstalleerde blocking filter kleine "lekken" heeft in het IR (kleine fluctuaties in de transmissiecurve zijn heel normaal bij interferentiefilters).

Voordat we alle resultaten bekijken, volgt hier een vergelijking van een APS-C camera met een full-frame camera:

Beide camera's zijn omgezet naar volspectrum en beide camera's hebben "moderne" BSI sensoren. Puur kwalitatief gezien is er echter niet veel verschil tussen de Fujifilm X-T3 en de Sony A7R III. De huidige sensorgeneraties, ongeacht hun formaat, hebben de afgelopen jaren een plateau bereikt waarop ze vrijwel op gelijke hoogte staan.

Resultaten in detail

De bovenstaande grafiek vat alle testresultaten samen en toont de signaalsterkte als functie van de gemeten golflengte. Hoe hoger de waarde bij een golflengte, hoe gevoeliger de sensor is. De ongemodificeerde Canon EOS RP en de RP zonder het eerste blokkeringsfilter vertonen duidelijk geen gevoeligheid voor infraroodstraling boven 700 nm; ze staan helemaal onderaan in het diagram. Alleen met een infraroodconversie kan de straling ongehinderd doordringen tot de sensor en hier worden gedetecteerd. Alle volspectrumcamera's vertonen min of meer dezelfde kenmerken en liggen dicht bij elkaar. De geteste Panasonic G6 had een 700 nm long-pass filter geïnstalleerd, hier valt de curve samen met de andere volspectrumcamera's vanaf ongeveer 750 nm.

Ik wil het meteen hebben over één duidelijke uitschieter: De full-spectrum Canon EOS RP lijkt zichtbaar slechtere resultaten te leveren dan alle andere geteste camera's. Na wat onderzoek bleek dat de testparameters voor deze camera ongunstig waren gekozen. Om de een of andere reden is de uitleesruis van de RP in de lage ISO bereiken (de metingen zijn gedaan bij ISO 200) aanzienlijk hoger dan bij andere camera's (met een factor 3). Vanaf een ISO-bereik van 3.200 benadert de ruis van de RP echter weer die van de andere camera's en is dan op ooghoogte. Als de metingen allemaal bij een hogere ISO waren gedaan, zou de RP vrijwel zeker niet uit de pas lopen met de andere resultaten.

Nu we het toch over ruis hebben, moeten we ook kijken naar het ruisgedrag van de individuele sensoren om de curven in het bovenstaande diagram beter te begrijpen. Als een camera extreem veel ruis zou hebben, zouden we uiteindelijk alleen de ruis hebben gemeten en niet het echte signaal dat de sensor levert. Het ruisgedrag van de camera's moet daarom ook worden meegenomen in de beoordeling.

Deze grafiek toont het rookgedrag (SNR) als functie van de gemeten golflengte. Een hogere waarde betekent dat de camera een "schoner" signaal levert en dat er minder ruis in het beeld zit. Ook hier liggen alle camera's min of meer dicht bij elkaar en laten ze een vergelijkbaar beeld zien. Vanaf een golflengte van 800 nm worden de resultaten steeds slechter en naderen een limiet rond 1200 nm - hier is alleen ruis waarneembaar.

Een vergelijking tussen de Fujifilm X-A3 (sensor met belichting aan de voorzijde) en de X-T3 (sensor met belichting aan de achterzijde) laat geen significant verschil zien in signaal- of ruisgedrag. Dit type sensorproductie lijkt dus geen significante invloed te hebben op de IR-gevoeligheid.

Als je beide diagrammen bekijkt, zie je dat in ieder geval in het bereik dat interessant is voor de elektroluminescentie van PV-modules (950-1.150 nm), alle camera's heel dicht bij elkaar liggen. Het is moeilijk om een verschil te herkennen en een aanbeveling in de ene of de andere richting te doen.

Maar laten we eens proberen een winnaar te kiezen. Als we naar beide diagrammen kijken, komt de Sony A7R III als beste uit de bus, zowel wat betreft signaalgedrag als ruis. Als we een "slechtste" camera willen kiezen, dan zou dat op basis van de beschikbare gegevens waarschijnlijk de Canon EOS RP moeten zijn. Ik wil nogmaals benadrukken dat dit alleen te wijten is aan de combinatie van de meetparameters in combinatie met de interne signaalverwerking van de camera - bij hogere ISO-waarden zou de RP vrijwel zeker op gelijke hoogte komen met de andere camera's (hoge ISO-waarden worden met name gebruikt voor de elektroluminescentiemeting van fotovoltaïsche modules).

Maar wat betekent dit in de praktijk als we de "winnaar" en "verliezer" naast elkaar bekijken?

In zowel de onbewerkte versie als de lichtere versie van de testserie zijn verschillen in de hogere golflengten herkenbaar, maar in principe produceren beide camera's resultaten die in de praktijk niet meer zoveel verschillen. Bij de hogere golflengten zijn beide camera's ruisachtig, maar de lichtkegel blijft herkenbaar.

De resultaten van de andere camera's liggen er allemaal ergens tussenin en neigen dichter bij de resultaten van de Sony te liggen. Deze testserie bevat geen gestapelde sensoren en het zou ook interessant zijn om een monochrome sensor te vergelijken. Misschien komt er in de toekomst een gelegenheid om dit opnieuw te meten. Tot die tijd keer ik graag terug naar mijn oorspronkelijke gevoel: "Het maakt niet echt veel verschil".

Nogmaals mijn dank aan het bedrijf SurfLabXWe willen in het bijzonder de heer Karpen bedanken voor het leveren van de meetresultaten en voor de interessante uitwisseling over cameratechnologie.