Shading-Effekte bei hochauflösenden CMOS-Kameras
Bei hochwertigen CMOS-Kameras in Kombination mit guten Optiken kann plötzlich ein Shading-Effekt sichtbar werden, den es mit einer anderen Kamera nicht gibt. Was ist die Ursache und wie lässt sich so etwas vermeiden?
Neben dem Objektiv haben auch moderne CMOS-Sensoren einen großen Einfluss auf das Shading-Verhalten bei modernen, hochauflösenden Kameras. (Bild: SVS-Vistek GmbH)
Shading ist ein bekanntes Problem in der Optik. Je weiter ein Bildpunkt auf dem Sensor von der optischen Achse entfernt ist, desto dunkler wird er abgebildet. Das Bild wird also zu den Rändern hin dunkler. Das Phänomen ist punktsymmetrisch um die optische Achse. Ein Schließen der Blende vergrößert den nutzbaren Bildbereich. Shading ist den Kameraherstellern vertraut und wird von den Objektivherstellern kontinuierlich verbessert. Deshalb sind Anwender überrascht, wenn eine hochmoderne Kamera mit einem teuren Objektiv unerwartet starkes Shading aufweist – mit deutlichen Auswirkungen auf die verwertbare Dynamik. Grund hierfür ist, dass auch der CMOS-Bildsensor auf das Shadingverhalten einen entscheidenden Einfluss hat.
Mikrolinsen bei modernen CMOS-Sensoren bewirken, dass einfallendes Licht aus einem bestimmten Winkelbereich kommen muss, da es sonst verstärkt auf die lichtunempfindlichen Bereiche des Pixels geleitet wird. (Bild: SVS-Vistek GmbH)
CMOS Sensor Shading
Ein CMOS Sensor Shading addiert sich zum normalen Shadingverhalten des Objektivs. Ein CMOS-Pixel besteht (von der Lichteinfall-Seite betrachtet) aus einem lichtempfindlichen Bereich und einem (lichtunempfindlichen) Verstärker-Bereich. Moderne CMOS-Sensoren wie beispielsweise die in der Bildverarbeitung verbreiteten Sensoren Sony IMX342 oder Canon 120MXSM besitzen sogenannte Mikrolinsen. Hierbei ist über jeder einzelnen CMOS-Zelle eine Mikrolinse platziert, die einfallendes Licht auf den lichtempfindlichen Teil des Pixels (und nicht auf die umliegenden Verstärker/Elektronik) richtet. Diese Konstruktion erhöht die Empfindlichkeit des Pixels deutlich und vermindert Objektstruktur-bedingtes Pixelrauschen. Allerdings haben diese Vorteile einen Preis: Die Verwendung der Mikrolinsen bewirkt, dass das einfallende Licht aus einem bestimmten Winkelbereich kommen muss. Von außerhalb dieses Chief Ray Angle (CRA) genannten Winkelbereiches einfallendes Licht wird verstärkt auf die lichtunempfindlichen Bereiche des Pixels geleitet. Eine deutliche Intensitätsminderung und damit ein Shadingeffekt auf dem Pixel ist die Folge. Fällt der Strahl unter einem großen Winkel auf das Sensorpixel, dann bildet die Mikrolinse das einfallende Licht nicht mehr in dem lichtempfindlichen Bereich ab. Eine Mikrolinse auf dem Sensorpixel führt so zu niedriger Lichtintensität im Randbereich des Bildes, im Extremfall auch zu Vignettierung.
Es ist wichtig, dass Objektiv und Sensor harmonieren, um den mit
einer Shading-Korrektur einhergehenden Dynamikverlust im zu minimieren. (Bild: SVS-Vistek GmbH)
CRA und Objektiv müssen matchen
Auf der Objektivachse erfolgt der Lichteinfall senkrecht zum Sensor. Die meisten Sensoren haben die Mikrolinsen so angeordnet, dass das Licht senkrecht einfallen sollte. Je weiter das einzelne Pixel nun aber außerhalb der Objektivachse zum Sensorrand gelegen ist, desto schräger fällt das Licht bei entozentrischen Objektiven ein. Ist der Einfallswinkel größer als der CRA des Sensors, kommt es zum sensorbedingten Shading. Sensorseitig telezentrische Objektive haben diesen Nachteil nicht, denn ihr Strahlengang verläuft auf der gesamten Sensorfläche senkrecht zum Sensor. MFT-Objektive (Micro Four Thirds) sind nahezu alle sensorseitig telezentrisch. Allerdings gibt es auch CMOS-Sensoren mit sogenanntem Pixelshift. Hier sind die Mikrolinsen so angeordnet, dass der Positionsversatz der Mikrolinsenabbildung durch das am Rande des Sensors vom Objektiv schräger einfallende Licht mit einer geänderter Position der Mikrolinsen am Rande kompensiert wird. Für diese Sensoren funktionieren dann telezentrische Objektive allerdings nicht. Es ist also wichtig, dass Objektiv und Sensor harmonieren, um den mit einer Shading-Korrektur einhergehenden Dynamikverlust im Bild zu minimieren. Wenn der Chief Ray Winkel kleiner als der Einfallswinkel des einfallenden Lichts ist oder das Sensorpixel am Rand des Sensors, wird nur ein Teil der nominalen Öffnung verwendet. Dieser Effekt wird umso größer, je weiter das Sensorpixel von der optischen Achse entfernt ist und führt zu Shading. Da CRA und der sensorseitige Strahlengang nicht von der Brennweite sondern von der Bauart des Objektivs abhängen, ist bei derartigen Sensoren mit kleinem oder inhomogenem CRA bei der Auswahl von Objektiven besondere Sorgfalt geboten. Der sensorseitige Strahlengang ist ein konstruktives Merkmal und kein qualitatives, abhängig hauptsächlich von Lage und Größe der Austrittspupille. Für jede Bauweise gibt es gute Gründe, selbst Objektive gleicher Brennweite des gleichen Herstellers können unterschiedlich sein. SVS-Vistek ist Spezialist für Hochleistungssensoren und bezieht seit Jahrzehnten in der Beratung von Kameralösungen auch das Objektiv mit ein.
