Funktionsweise und Eigenschaften von CMOS-Sensoren

1)    Full-Well-Kapazität [e^–] und Sättigungskapazität [e^–]
Stellen Sie sich ein Pixel als einen „Eimer“ vor und die Full-well-Kapazität als die maximale Anzahl von Elektronen, die in diesem „Eimer“ gespeichert werden können. Die tatsächlich für die Charakterisierung verwendete Sättigungskapazität einer Kamera wird direkt im Kamerabild gemessen. Der Wert ist typischerweise kleiner als die Full-well-Kapazität, um Nichtlinearitäten zu vermeiden. Eine hohe Sättigungskapazität ermöglicht längere Belichtungszeiten. Wenn ein Pixel überbelichtet wird, wird es auf die maximale DN gesetzt und enthält somit keine nützlichen Information.

2)    Absolute Empfindlichkeitsschwelle [e^–]
Die absolute Empfindlichkeitsschwelle (AST, Absolute Sensitivity Threshold) beschreibt die kleinste Anzahl Photonen (minimale nachweisbare Strahlung), bei denen die Kamera Nutzinformationen im Bild von Rauschen unterscheiden kann. Das bedeutet, je niedriger der Schwellwert, desto empfindlicher ist eine Kamera. Die absolute Empfindlichkeitsschwelle beinhaltet die Quanteneffizienz, das Dunkelrauschen sowie das Photonenrauschen und sollte bei Anwendungen mit wenig Licht beachtet werden statt nur die Quanteneffizienz zu betrachten.
Die absolute Empfindlichkeitsschwelle wird aus dem Wert bestimmt, wo das SNR gleich 1 ist (Signal ist so gross wie das Rauschen).

3)    Zeitliches Dunkelrauschen [e^–]
Auch wenn der Sensor nicht beleuchtet ist, erzeugt jedes Pixel ein (Dunkel-)Signal. Mit zunehmender Einwirkzeit und Temperatur werden auch ohne Licht Elektronen in jedem Pixel generiert. Das Variieren des Dunkelsignal wird als Dunkelrauschen bezeichnet (gemessen in Elektronen). Ein niedrigeres Dunkelrauschen ist für die meisten Anwendungen vorteilhaft. Das Dunkelrauschen zusammen mit dem Photonenrauschen und dem Quantisierungsrauschen beschreiben das Rauschen einer Kamera.

4)    Dynamik [dB]
Die Dynamik ist das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimal messbaren Anzahl Elektronen der Sättigungskapazität. Kameras mit hoher Dynamik sind in der Lage gleichzeitig detailliertere Bildinformationen für dunkle und helle Bereiche in einem einzigen Bild zu liefern. Eine hohe Dynamik ist deshalb vor allem bei Anwendungen mit dunklen und hellen Bereichen in einem Bild oder bei schnell wechselnden Lichtverhältnissen wichtig.

5)    Quanteneffizienz [%]
Ein Bildsensor wandelt Photonen in Elektronen um. Das Konvertierungsverhältnis, die Quanteneffizienz (QE), ist von der Wellenlänge abhängig. Je mehr Photonen in Elektronen umgewandelt werden, desto lichtempfindlicher ist ein Sensor und desto mehr Informationen können aus dem Bild gewonnen werden. Die gemessenen Werte einer Kamera können z.B. durch die Verwendung eines Deckglases oder Filters von den Angaben des Sensorlieferanten abweichen.

6)    Maximaler Signal-Rausch-Abstand (SNRmax) [dB]
Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist das Verhältnis zwischen dem Grauwert (korrigiert um das Dunkelrauschen) und dem Signalrauschen. Es wird oft in dB angegeben. Das SNR hängt hauptsächlich vom K-Faktor und dem Dunkelrauschen ab und steigt mit der Anzahl der Photonen. Das maximale SNR (SNRmax) ist erreicht, wenn das Pixel die maximale Anzahl Elektronen der möglichen Sättigungskapazität gespeichert hat.

7)    K-Faktor (Digital Number DN/e^–)
Eine Kamera wandelt die Elektronen (e^–) vom Bildsensor in einen digitalen Wert (DN). Diese Konvertierung wird durch die allgemeine Systemverstärkung K angegeben, gemessen in Digital Number (DN) pro Elektron (e^–): K Elektronen sind erforderlich, um den Grauwert um 1 DN zu erhöhen. Der K-Faktor ist abhängig vom thermischen Kameradesign und der Kameraelektronik. Ein besserer K-Faktor kann die Linearität auf Kosten der Sättigungskapazität verbessern.