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Sensor-Rauschen

Das Rauschen des Sensors beeinflusst die maximale Empfindlichkeit und den Dynamikbereich einer Kamera erheblich.

Die Ursachen für das sensorspezifische Rauschen sind unterschiedlich.

  • Temporal Noise (zeitliches Rauschen):
    Unter dem Begriff Temporal Noise werden alle Rauschquellen zusammengefasst, die den zeitlichen Verlauf eines Pixelwerts, z.B. von Bild zu Bild, beeinflussen. Zeitliches Rauschen besteht aus Photonenrauschen, Dunkelstrom, Auslese- und Quantisierungsrauschen, die im Einzelnen unten beschrieben sind. Es ist die Hauptrauschquelle bei CCDs, da die Ladung jedes Pixels während des Auslesens häufig verschoben wird.

  • Photon Noise (Photonenrauschen):
    Eine weitere Quelle für das Rauschen eines Sensors ist das Licht selbst. Der Photonenstrom, der auf den Sensor trifft, ist nicht gleichmäßig, sondern Poisson-verteilt, wodurch der sogenannte Photon Noise oder Shot Noise entsteht. Dieser begrenzt zusätzlich das maximale Signalto- Noise-Ratio negativ.

  • Dark Current (Dunkelstrom):
    Dark Current Noise entsteht durch Elektronen, die sich z.B. durch thermische Prozesse im Pixel bilden. Die Anzahl der Elektronen steigt mit der Belichtungszeit und der Temperatur.

  • Readout Noise (Ausleserauschen):
    Dieses entsteht bei der Wandlung von Ladung (Elektronen) in Spannung (bei CCD-Sensoren z.B. auch beim Transfer der Ladungen durch die Schieberegister bzw. Pixel). Das Ausmaß des Rauschens hängt neben dem Sensor-Design hauptsächlich von der Auslesegeschwindigkeit ab. Folglich nimmt das Rauschen bei höheren Taktraten in der Regel zu. Bei der Auswahl einer Kamera sollte darauf geachtetet werden, dass ein Gleichgewicht zwischen Rauschen und Geschwindigkeit herrscht.

  • Quantisation Noise (Quantisierungsrauschen):
    Auch die A/D-Wandlung trägt zum Rauschen bei, da hier letztendlich eine Spannung (kontinuierlicher Wert) in einen digitalen Wert (diskreter Wert) umgewandelt wird.

  • Spatial Noise (örtliches Rauschen):
    Unter Spatial Noise versteht man örtliche Variationen der Intensitäten verschiedener Pixel bei homogener Beleuchtung. Zu den Ursachen für örtliches Rauschen gehören die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften FPN und PRNU. Örtliches Rauschen tritt bei CMOS-Sensoren vermehrt auf, da die Pixel über mehrere Schaltkreise ausgelesen werden.

  • Fixed Pattern Noise FPN (Offset Noise):
    Dieser Wert beschreibt Intensitätsabweichungen zwischen Minimal- und Maximalwert für alle Pixel in einem Array. Da dieser Rauschanteil am besten im Dunklen gemessen werden kann, wird er oft auch als Dark Signal Non Uniformity (DSNU) bezeichnet.

  • Pixel Response Non Uniformity PRNU (Gain Noise):
    Die Pixel Response Non Uniformity beschreibt Abweichungen zwischen Pixeln um einen festen Verstärkungsfaktor. Diese entstehen, da die einzelnen Pixel unterschiedliche Empfindlichkeitskurven aufweisen.

Da FPN und PRNU zeitlich konstant sind und in der Regel nicht von Aufnahme zu Aufnahme schwanken, ist der Begriff Rauschen hier etwas missverständlich, da die Abweichungen durch eine Addition bzw. Multiplikation eines Pixels relativ einfach korrigiert werden können. Diese Abweichungen sind durch fertigungsbedingte Toleranzen bzw. Verunreinigungen des Sensorsubstrats begründet. Viele CMOS-Kameras verfügen bereits über eine integrierte Korrektur dieser Abweichungen, entweder in der Kamera oder mittels der mitgelieferten Software.


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