Immer die richtige Kamera

Objektive Messdaten zur Bildqualität (EMVA1288) – Teil 1/3

Verschiedene Kameras anhand ihrer Basisinformationen, wie Bildrate, Auflösung und Schnittstelle, miteinander zu vergleichen, ist schnell geschehen. Wie sieht es jedoch aus, wenn man weitere Parameter zur Leistungsfähigkeit und Bildqualität, wie Quanteneffizienz, Dunkelrauschen und Sättigungskapazität, berücksichtigt? Das ist schon komplizierter und aufwändiger.

Als erstes müssen wir hierfür verstehen, was die verschiedenen Messwerte eigentlich bedeuten. Was besagt die Quanteneffizienz? Und wird der Maximalwert angegeben oder wird sie bei einer bestimmten Wellenlänge gemessen? Wie unterscheidet sich das Signal-Rausch-Verhältnis von dem Dynamischen Bereich? Die dreiteilige Artikelserie beantwortet diese Fragen und gibt eine Anleitung, wie Sie Kameras anhand ihrer Leistungsdaten gemäß des EMVA1288-Standards vergleichen und die richtige Kamera auswählen. Der EMVA1288-Standard definiert, welche Parameter einer Kamera vermessen werden sollen, die Methodik der Vermessung sowie der Aufbereitung der Ergebnisse. Der erste Teil der Serie erläutert die verschiedenen Leistungsdaten eines Bildsensors. Wir skizzieren die zugrundeliegenden Konzepte, nach denen ein Bildsensor Licht in ein Bildsignal umwandelt und somit die Leistungsfähigkeit eines Sensors bestimmt. Bild 1 stellt diese Konzepte anhand eines einzelnen Pixels dar. Zu Beginn betrachten wir das zeitliche Rauschen, das Licht naturgemäß aufweist. Licht kann man als Strom einzelner Partikel (Photonen) auffassen. Jede Lichtquelle erzeugt einen solchen Partikelstrom. Da dieser Vorgang einem Zufallsprozess unterliegt, weist die Lichtintensität ein zeitliches Rauschen auf. Aus der Physik des Lichts wissen wir, dass dieses Rauschen gleich der Quadratwurzel aus der Anzahl der Photonen ist, die eine Lichtquelle aussendet. Diese Art des Rauschens wird Schrotrauschen (engl.: Shot Noise) genannt.

Quanteneffizienz

Machen wir uns bewusst, dass die Anzahl der Photonen, die auf ein Pixel treffen, zunächst von der Belichtungsdauer und der Lichtintensität abhängt. Die Fähigkeit eines Pixels Photonen einzufangen, hängt von der Größe seiner lichtempfindlichen Fläche ab. Welchen Einfluss dies auf die Leistungsfähigkeit eines Sensors hat, beschreibt Teil 2 der Serie, in dem es um den Vergleich zweier Kameras mit zwei unterschiedlichen Sensoren geht. Zur Messung der Lichtintensität nutzt man beim Aufbau eines Pixels spezielles Halbleitermaterial, aus dem Photonen dank ihrer individuellen Energie Elektronen herauslösen und zu freien Ladungsträgern machen können. Für viele Aspekte der Leistungsfähigkeit eines Sensors ist das Verhältnis aus auftreffenden Photonen und erzeugten Elektronen entscheidend. Man bezeichnet dieses Verhältnis als Quanteneffizienz (QE). Der Beispiel-Sensor aus Bild 1 zeigt eine QE von 50%, da sechs Photonen notwendig sind, um drei freie Elektronen zu erzeugen. Im nächsten Schritt fließen die freien Elektronen durch von außen angelegte Spannung in eine Art ‚Behälter‘ (im englischen als Well/Brunnen bezeichnet), in dem sie zwischengespeichert werden. Die Sättigungskapazität (Saturation Capacity oder Well Depth) gibt die Anzahl der Elektronen an, die dieser Behälter maximal speichern kann. Wenn nach Erreichen der Sättigungskapazität weitere Photonen noch mehr Elektronen erzeugen, kann der Well diese nicht mehr aufnehmen und die Information über das Ankommen der Photonen geht verloren.

Dunkelrauschen

Sobald die Belichtung des Pixels abgeschlossen ist, wird die gespeicherte Ladung im Well gemessen. Sie stellt somit das Signal des einzelnen Pixels dar. Wie quasi jede Messung ist auch diese mit einem Fehler behaftet, dem so genannten Dunkelrauschen oder Ausleserauschen. Schlussendlich bestimmt sich der Grauwert des Pixels durch die Quantisierung des Signalwertes, ausgedrückt über die Anzahl der Elektronen, in 216 Stufen (englische Abk.: ADU), kodiert mit 16bit. Das Verhältnis aus analogem Signalwert und digitalem Grauwert bezeichnet man als den Verstärkungsfaktor (engl.: Gain), der in Elektronen pro ADU angegeben ist. Die Gain Parameter des EMVA1288-Standards sind dabei nicht zu verwechseln mit dem Gain der Analog-Digital-Wandlung. Wenn man Kameras evaluiert, ist es üblich, sich auf das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamischen Bereich zu beziehen. Beide Maße betrachten das Verhältnis zwischen Rauschanteil und Signalanteil in den Grauwerten einer Kamera. Der Unterschied liegt hier darin, dass der Dynamische Bereich lediglich das Dunkelrauschen betrachtet, während das Signal-Rausch-Verhältnis auch das quadratische Mittel des Schrotrauschens mit einbezieht. Des Weiteren gibt die Absolute Empfindlichkeitsschwelle die Anzahl der Photonen an, die für ein Signal benötigt werden, das ebenso groß ist, wie das Rauschen. Dies ist eine wichtige Kennzahl, da sie etwas über die minimale Lichtintensität aussagt, bei der eine Kamera überhaupt ein verwertbares Signal liefert.

Teil 2 der Serie stellt eine Methode zum Vergleich der Leistungsfähigkeit zweier Kameras bei geringen Lichtverhältnissen auf Basis der vorgestellten Konzepte vor. n