CCDs und CMOS im Vergleich

Objektive Messdaten zur Bildqualität (EMVA1288) – Teil 3/3

Die beiden vorangegangenen Teile der Serie haben die wesentlichen Leistungsmerkmale von Bildsensoren vorgestellt, eine Einführung in den EMVA1288-Standard mit seinen technischen Grundlagen gegeben und erläutert, wie man die Bildqualität von Kameras bei schwachen Lichtverhältnissen vergleichen kann. Im letzten Teil wird die Leistung eines traditionellen CCD-Sensors mit modernen CMOS-Sensoren verglichen, sowohl bei schwachen als auch bei stark unterschiedlichen Lichtverhältnissen innerhalb einer Szene.
Zuletzt wurde aufgezeigt, dass CCD-Kameras mit VGA-Auflösung auf Basis eines Sony ICX414-Sensors (½“ Format) bessere Ergebnisse liefern, als Kameras mit einem Sony ICX618 (¼“ Format). In diesem Artikel vergleichen wir die Leistung eines ICX414-Sensors mit dem neuen CMOS-Sensor Sony Pregius IMX249 mit 2,3MP, 1/1.2″ Format und Global-Shutter-Technologie. Auf den ersten Blick mag das erscheinen, als würde man Äpfel mit Birnen vergleichen. Zum einen liegen jedoch die Kosten für beide Kamera-Modelle mit diesen Sensoren bei rund 400?. Beschränkt man das Auslesefenster der CMOS-Kamera auf VGA-Auflösung, liefern beide Kameras zudem auch ähnliche Bildraten. Bei der IMX249-Kamera ergibt sich dann ein optisches Format, das ¼“ nahe kommt. So zeigen die EMVA1288-Daten der Kameras in Tabelle 1, dass der IMX249 CMOS-Sensor eine erheblich bessere Quanteneffizienz, niedrigeres Rauschen und eine höhere Sättigungskapazität bietet. Auf der anderen Seite besitzt der ICX414 CCD-Sensor größere Pixel, was in dem vorherigen Beitrag noch der ausschlaggebende Faktor war. Mit der im zweiten Teil beschriebenen Methodik können nun die Bildqualität der beiden Sensoren bei schwachen Lichtverhältnissen verglichen werden. Die Kurven des Signal-Rausch-Verhältnisses (Bild 4) lassen vermuten, dass der IMX249 CMOS-Sensor bei schwachem Licht bessere Bilder als der ICX414 CCD-Sensor liefert, da er eine niedrigere absolute Empfindlichkeitsschwelle und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Bild 2 bestätigt diese theoretische Analyse in der Praxis. Noch interessanter ist der Vergleich bei hoher Lichtintensität durch den Unterschied in der Sättigungskapazität der beiden Sensoren. In Bild 3 wurde die Signalstärke über der gesamten Skala der Leuchtdichte bis zur Sättigung aufgetragen. Der Graph zeigt, dass der ICX414 bereits bei rund 700 Photonen/µm² in Sättigung geht, während der IMX249 noch bis 1.200 Photonen/µm² die Leuchtdichte wiedergeben kann. In erster Konsequenz ist das Bild eines ICX414 CCD-Sensors heller als das eines IMX249. Hierzu betrachte man sich einfach die Signalstärke bei z.B. 700 Photonen/µm²: In diesem Fall sollte der ICX414 die höchsten Grauwerte liefern, während der IMX249 ein Bild wiedergibt, dessen Grauwerte erst knapp über 50% des maximalen Helligkeitswerts liegt. Diese Tatsache ist bemerkenswert, da man bei einem simplistischen Ansatz zur Evaluierung der Empfindlichkeit lediglich die Helligkeit des Bildes betrachtet. Man geht dabei also davon aus, dass ein helleres Bild für eine bessere Kamera-Leistung spricht. An unserem Beispiel wird deutlich, dass dieses Vorgehen zu einem genau entgegengesetzten und damit falschen Ergebnis führt. Weiterhin lässt sich schlussfolgern, dass der IMX249 CMOS-Sensor bei einer größeren Spanne von Beleuchtungsverhältnissen immer noch Bilder liefert, die für eine automatische Bildanalyse geeignet sind. Bild 1 zeigt Aufnahmen der gleichen Szene mit beiden Kamera-Typen. Zu Zwecken der besseren Darstellung wurden die dunkleren Bildbereiche (Ziffern 3, 4, 5) linear aufgehellt, ohne das Bildmaterial anderweitig zu verändern. Aus den Bildern wird ersichtlich, dass sich der ICX414 in den hellen Bereichen der Szene bereits in Sättigung befindet, während die dunklen Bereiche für eine automatische Zeichenerkennung bereits zu stark verrauscht sind. Im Gegensatz dazu sind beim CMOS-Sensor IMX249 alle Zeichen gut lesbar, sowohl im hellen, als auch im dunklen Bildbereich. Schlussendlich kann gefolgert werden, dass die neue CMOS-Technologie mit Global-Shutter in Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung eine tragfähige Alternative zur CCD-Technik darstellt. Die neuen Sensoren sind nicht nur kostengünstiger, sondern bieten auch höhere Bildraten bei gleicher Auflösung und sind so gut wie frei von Smear- und Blooming-Artefakten – sie übertreffen teilweise sogar die Bildqualität von CCDs.

Fazit

Im Rahmen dieser Serie wurden die wesentlichen Konzepte zur Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Kameras vorgestellt. Neben einer Einführung in den EMVA1288-Standard wurde dieser zum Vergleich der Bildqualität bei verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen angewendet. Allein für diese Themen brauchte es drei Artikel, doch es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Aspekte, die bei dem Vergleich von Kameras berücksichtigt werden müssen: Beispielsweise verändert sich die Quanteneffizienz dramatisch mit der Wellenlänge. So kann eine bestimmte Kamera bei 525nm (grün) gute Ergebnisse liefern, gleichzeitig jedoch im NIR-Bereich kaum einsetzbar sein. Weiterhin muss bei langen Belichtungszeiten, wie sie in der Fluoreszenz-Analyse und Astronomie vorkommen, der Einfluss des Dunkelstroms berücksichtigt werden, der vor allem bei extrem geringen Lichtstärken zum Tragen kommt. Auch mit dem EMVA1288-Standard ist es kein einfaches Unterfangen die richtige Kamera bezüglich der Bildqualität auszuwählen. Dennoch sollte diese Artikelreihe einen ersten Einblick in dieses faszinierende und komplexe Thema vermitteln.