Wie groß darf's sein? : Pixelgröße beeinflusst Bildqualität und Empfindlichkeit von Bildsensoren

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    13-Aug-2016

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  • Wie gro darfs sein?Pixelgre beeinusst Bildqualitt und Empndlichkeit von Bildsensoren

    Die Anzahl der Bildpunkte oder Pi-xel in Bildsensoren ist sowohl bei Fotoap-paraten und Handy-Kameras, als auch bei digitalen Kamerasystemen fr Mess-zwecke, wie sie in der industriellen Bild-verarbeitung oder in der Forschung zu nden sind, von zentraler Bedeutung. Generell ist der Trend zu hheren Au-sungen erkennbar, weil sie mehr Infor-mationsgehalt versprechen. Begrenzt durch die existierenden Formate der ab-bildenden Optiken und deren Preis sowie durch akzeptable Baugren bei Kame-ragehusen und durch den Ertrag pro Wafer ergeben sich deshalb bei hheren Ausungen kleinere Abmessungen der eigentlichen Pixel. Da man in den meis-ten Anwendungen nicht unbegrenzt Licht zur Verfgung hat, stellt auch die Empndlichkeit der Pixel einen sehr wichtigen Parameter fr den erfolgrei-chen Einsatz einer Kamera dar. Welchen Einuss hat also die Pixel-Gre auf die Bildqualitt und Empndlichkeit genau?

    Fllfaktor und Mikrolinsen

    Bevor die eigentliche Pixelgre betrach-tet wird, ist zu bestimmen, wie efzient ein Pixel Licht einfngt. Der dazu geeigne-te Parameter ist der Fllfaktor, der als das Verhltnis von lichtempndlicher Flche zur Gesamtche des Pixels deniert ist. Bedingt durch Ansteuerleitungen, notwen-dige elektrische Bauteile oder abgedunkelte Register ist unabhngig von der Technolo-gie, CCD oder CMOS, immer ein Teil der Pixelche lichtunempndlich. Dies fllt bei kleineren Pixeln mehr und bei greren we-niger ins Gewicht.

    Sowohl CMOS- als auch CCD-Bildsen-soren setzen Silizium als Detektormaterial ein. Da CMOS-Bildsensoren verglichen mit CCD-Bildsensoren mehr elektrische Bau-teile pro Pixel bentigen, waren sie frher weniger empndlich. Die CCD-Hersteller hatten zudem mit dem Problem des Fll-faktors mehr Erfahrung und kompensierten

    schlechte Fllfaktoren durch den Einsatz von Mikrolinsen (Abbildung 1 [c]).

    Whrend, wie in Abbildung 1 zu sehen ist, bei kleinerer lichtempndlicher Flche ein Teil des Lichts verloren geht, gelingt es der Mikrolinse (Abbildung 1[c]) das auf das Pixel fallende Licht auf den kleineren licht-empndlichen Teil zu fokussieren. Wird nun der tatschliche Fllfaktor durch einen effek-tiven Fllfaktor ersetzt, ist letzterer deutlich grer. Gleiches gilt fr den physikalischen Parameter, der die Empndlichkeit eines Photodetektors beschreibt: Der Quanten-wirkungsgrad gibt an, wieviele Photonen Ladungstrger und somit ein Signal erzeu-gen. Tabelle 1 zeigt die Parameter lichtemp-ndliche Flche, Quantenwirkungsgrad und Signal bei unterschiedlichen Fllfaktoren.

    Bei der Optimierung der genannten Parameter sind neben hheren Kosten in der Herstellung einige physikalische und technologische Beschrnkungen zu berck-sichtigen. So kann fr Pixel, die eine Kan-tenlnge von mehr als 12 m haben, die Schichtdicke bzw. der Abstand von der ei-gentlichen Oberche des Bildpunkts nicht gro genug gemacht werden, um eine gute Linse zu erzeugen. Der erforderliche Abstand und die Dicke sind direkt proporti-onal zur Flche des Pixels, was eine Gren-beschrnkung fr Mikrolinsen darstellt.

    CMOS Pixel haben einen begrenzten maximalen Fllfaktor, denn aufgrund der Halbleiter-Herstellungsprozesse sind min-destens 25 % der Pixelche mit einer Me-tallschicht bedeckt, woraus sich ein maxi-maler Fllfaktor von 75 % ergibt.

    Grundstzlich muss man auch beach-ten, dass lichtempndliche Flchen grer als 25 m x 25 m schwierig zu realisieren sind, weil physikalisch der Weg der durch Licht entstandenen Ladungstrger zu den Zuleitungen zunimmt und damit auch die Wahrscheinlichkeit von nicht erwnschten Ereignissen wie Rekombination.

    Vergleich von Bildsensoren

    Fllt Licht auf Bildsensoren mit unterschied-licher Pixelche, z. B. einen Bildsensor mit

    der vierfachen Pixelche eines anderen Bildsensors, so ist zuerst einmal nachvollzieh-bar, dass das grere Pixel in derselben Zeit viermal soviele Photonen sammelt wie das kleinere. Daraus ergibt sich die hug zu n-dende Einschtzung, dass groe Pixel immer viel empndlicher sind. Dies ist allerdings nur ein Kriterium zum Vergleich von Kameras mit unterschiedlichen Pixelgren. Wie man in der Entwicklung der grer werdenden Pixel in Abbildung 2 sieht, wird zwar der Bildsen-sor immer empndlicher, aber leider sinkt der Informationsgehalt des Bildes.

    Vergleicht man zwei Kameras mit unter-schiedlichen Pixelgren unter Annahme des gleichen Informationsgehalts ergibt sich etwas anderes als die Einschtzung, groe Pixel seien immer empndlicher. Als mageblicher Parameter dient hierfr das Signal-Rausch-Verhltnis.

    Der Einfachheit halber wird angenom-men, dass beide Bildsensoren die gleiche quadratische Flche haben und dass Bild-

    DER AUTOR

    GERHARD HOLST

    Gerhard Holst studier-te Nachrichtentechnik an der RWTH Aachen. Er promovierte an der Universitt Dortmund und dem MPI fr Systemphysiologie ber einen neu-artigen optisch chemischen Sensor und dessen Mess-System fr die Medizin-technik. Nach 7 Jahren in der Mikrosen-sorforschungsgruppe des MPI fr Marine Mikrobiologie, Bremen, wechselte er zur PCO AG. Dort leitet er die Wissenschafts- und Forschungsabteilung.

    MM

    Gerhard HolstPCO AG

    Donaupark 1193309 Kelheim, Deutschland

    Tel.: +49 (0)9441 2005 36Fax: +49 (0)9441 2005 20

    E-Mail: gerhard.holst@pco.deWebsite: www.pco.de

    BILDVERARBEITUNG

    2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.optik-photonik.de 37

  • sensor [a] die vierfache Ausung von Bild-sensor [b] hat. Zum Vergleich der beiden Bildsensoren kann man sich der Situation auf zwei Arten nhern. Dazu whlt man Be-reiche, so dass entweder die Gesamtche oder die Ausung konstant gehalten wird.

    Konstante Gesamtche

    In Abbildung 3 ist die zu betrachtende Flche konstant gehalten. Damit bleiben Bildkreis, Brennweite, Blendenffnung, Ob-jektabstand und Lichtdichte gleich, aber Ausung und Pixelgre sind verschieden. Zudem wird angenommen, dass der effek-

    tive Quantenwirkungsgrad ebenfalls gleich sei, die Bildsensoren und Pixel quadratisch seien und vom Bildkreis des Objektivs aus-geleuchtet werden.

    Bildsensor [a] mit der hohen Ausung hat also Pixel mit einem Viertel der Flche von Bildsensor [b]. Bei gleicher Beleuch-tung wird also jedes Pixel von Bildsensor [a] ein Viertel des Lichts einsammeln, wel-ches ein Pixel von Bildsensor [b] aufnimmt (Abbildung 3). Es stellt sich nun die Frage, welcher Bildsensor das grere Signal sieht und das bessere Signal-Rausch-Verhltnis hat. Dazu knnte jedes einzelne Pixel beur-

    teilt werden, aber dies bercksichtigt nicht den Unterschied im Informationsgehalt aufgrund der unterschiedlichen Ausung. Wenn man den gleichen Informationsge-halt fordert, muss man vier kleinere Pixel zu einem groen Pixel zusammenfassen (Bin-ning).

    Das kleine Pixel messe nun das Signal m, wobei m ein zur Photonenzahl proportiona-ler Zahlenwert ist. Bei gleichem Fllfaktor misst somit das groe Pixel das Signal 4 x m. Fr das Signal-Rausch-Verhltnis (s = m/r) ist zwischen zwei Rauscharten zu unterschei-den. Bei kleinen Signalen ist das Ausleserau-schen dominant. Das Ausleserauschen ent-spricht dem Signal, das beim Dunkelbild, also ohne Licht gemessen wird. Es setzt sich aus den verschiedenen Rauschquellen einer Kamera (Sensor, Temperatur, Verstr-kung etc.) zusammen. Bei groen Signalen dominiert das Photonenrauschen, welches aus der Photonenstatistik resultiert. Fr das kleine Pixel ergibt sich mit einem Ausle-serauschen r0 des kleinen Pixels ein s0 Signal-Rausch-Verhltnis fr kleine Signale und ein s1 Signal-Rausch-Verhltnis fr groe Signa-le. Weil es erlaubt ist, die Rauschleistungen zu addieren, ergibt sich das Ausleserauschen als Quadratwurzel aus (4 x r0). Die hier dis-kutierten Gren sind in Tabelle 2 einander gegenber gestellt.

    Das kleine Pixel misst nur ein Viertel des Signals, das ein groes Pixel misst. Doch

    BILDVERARBEITUNG

    38 Optik & Photonik Oktober 2010 Nr. 3 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    ABB. 1: Nur Licht (orangene Pfeile), das auf die lichtempndliche Flche (blau) eines Pixels (Querschnittsansicht) trifft, trgt zum gemessenen Signal bei: [a] Pixel mit 75 % Fllfaktor, [b] Pixel mit 50 % Fllfaktor und [c] Pixel mit 50 % Fllfaktor und Mikrolinse.

    ABB. 2: Vergleich des Ergebnisses, wenn ein Objekt wie z. B. ein Baum mit unterschiedlichen Ausungen aufgenommen wird: [a] hohe Ausung, [b] niedrige Ausung und [c] 1 Pixel Ausung.

    TABELLE 1: Qualitativer Vergleich wichtiger Kenngren bei unterschiedlichen Fllfaktoren.

    Fllfaktor lichtempndlicheFlche

    Quantenwirkungs-grad

    Signal

    gro gro gro gro

    klein klein klein klein

    klein + Mikrolinse groe effektive Flche gro gro

    TABELLE 2: Signal und Signal-Rausch-Verhltnis unterschiedlicher Pixelgren bei konstanter Gesamtche.

    Pixel Typ Signal Ausleserau-schen

    Signal-Rausch-Verhltnis bei wenig Licht

    Signal-Rausch-Verhltnis bei viel Licht

    klein m r0 s0 s1gro 4 x m > r0 < 4 x s0 2 x s14 x klein 4 x m 2 x r0 2 x s0 2 x s1

    ABB. 3: Illustration zweier quadratischer Bildsensoren innerhalb des Bildkreises desselben Objektivs, welches das Bild eines Baumes abbildet. Bildsensor [a] hat Pixel mit einem Viertel der Flche der Pixel von Bildsensor [b].

    ABB. 4: Illustration zweier quadratischer Bildsensoren innerhalb des Bildkreises desselben Objektivtyps (z.B. F-Mount). Der Baum wird jeweils auf die gleiche Anzahl von Pixeln abgebildet durch unterschiedliche Brennweiten.

  • TABELLE 3: Signal und Signal-Rausch-Verhltnis unterschiedlicher Pixelgren bei konstanter Ausung.

    Pixel Typ Signal Auslese-rauschen

    Signal-Rausch-Verhltnis bei wenig Licht

    Signal-Rausch-Verhltnis bei viel Licht

    klein m r0 s0 s1

    gro m > r0 < s0 s1

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    drfen bei gleichem Informationsgehalt vier kleine Pixel zusammengefasst werden, die dann bei viel Licht das gleiche Signal-Rausch-Verhltnis wie ein groes Pixel auf-weisen. Bei wenig Licht ist es sogar mg-lich, dass die vier kleinen Pixel ein besseres Signal-Rausch-Verhltnis als das groe Pixel haben. Ob das der Fall ist, hngt vom Aus-leserauschen des groen Pixels ab. Bei glei-cher Gesamtche spricht also nichts dafr, dass groe Pixel besser sind.

    Konstante Ausung

    Die zweite Mglichkeit besteht darin, die Ausung konstant zu halten. Das fhrt dazu, dass man das Bild bei dem Bildsensor mit den kleineren Pixeln auf einen kleine-ren Bildkreis abbilden muss (Abbildung 4). Daraus ergibt sich, dass die Brennweite ver-krzt werden muss.

    Bei diesem Vergleich muss man vorsich-tig sein, um nicht zu einem falschen Resultat zu kommen. Als Beispiel sind in Abbildung 5 drei Messergebnisse gezeigt. Alle Bilder wurden mit der gleichen Belichtungszeit und dem gleichen Objektabstand aufge-nommen. Bild [a] zeigt die Aufnahme eines Testmusters mit der Kamera, die 14,8 m groe Pixel hatte, bei einer Brennweite von f = 100 mm und einer Blende von 16. Nimmt man nun die Kamera mit 7,4 m groen Pixeln, braucht man ein f = 50 mm Objektiv, um dasselbe Testmuster auf 1000 x 1000 Pixel abzubilden. In einem ers-ten Versuch wrde man z. B. bei f-Mount Objektiven denselben Blendenwert ein-stellen wie zuvor, nmlich 16. Das ergibt Bild [b], welches eindeutig dunkler ist. Die Schlussfolgerung wre, dass groe Pixel empndlicher sind.

    Der gleiche Blendenwert bei Objektiven unterschiedlicher Brennweite bedeutet, dass

    die gleiche Lichtmenge auf die Flche eines Kleinbild-Negativs fllt. Damit trifft die gleiche Lichtmenge wieder auf die groe Flche, was aber fr den Vergleich nicht beabsichtigt war und dem Ziel widerspricht, das Bild mit der gleichen Lichtmenge auf den kleineren Bild-kreis abzubilden. Dazu ist es notwendig, den Blendenwert zu verringern, damit die gleiche ffnung im Objektiv, also die gleiche Blen-denffnung, erreicht wird. Wiederholt man die Messung mit den kleinen Pixeln bei einem Blendenwert von 8 ergibt sich Bild [c]. Das Re-sultat ist ein hnlich helles Bild wie in Bild [a].

    Wiederum stellt sich die Frage, welcher Bildsensor das grere Signal bzw. das bessere Signal-Rausch-Verhltnis hat. Dazu werden die selben Grundannahmen wie im ersten Fall gemacht. Bei gleichem Fllfaktor misst das kleine Pixel, welches das Ausle-serauschen r0 hat, das Signal m. Bei wenig Licht ergibt sich das Signal-Rausch-Verhlt-nis s0, bei viel Licht s1. In Tabelle 3 werden diese Gren mit denen des groen Pixels verglichen. Das groe Pixel hat ein hheres Ausleserauschen, was zu einem schlech-teren Signal-Rausch-Verhltnis bei wenig Licht fhrt. Somit ergibt sich auch bei die-sem Vergleich kein Vorteil fr das groe Pixel in Bezug auf die Empndlichkeit.

    Sind groe Pixel besser als kleine?

    Die hug zu hrende Vermutung, groe Pixel seien empndlicher als kleine, lsst sich durch die vorgestellten Betrachtungen nicht belegen. Es gibt aber auch unbestritte-

    PCO AGKelheim, Deutschland

    1987 wurde die PCO AG gegrndet mit dem Ziel, schnelle und empndli-che Video-Kameras zu entwickeln, die den speziellen, hohen Anforderungen in wissenschaftlichen Anwendungen gerecht werden. Mittlerweile umfasst der Produktbereich der PCO AG digitale Kamerasysteme mit hoher Dynamik, ho-her Ausung und niedrigem Rauschen, welche international sowohl in wissen-schaftlichen als auch in industriellen An-wendungen eingesetzt werden.

    www.pco.de

    DIE FIRMA

    ne Vorteile bei groen Pixeln. So haben sie meistens das grere maximale Fassungs-vermgen fr Ladungstrger (Fullwell-Ka-pazitt) und knnen dadurch ein besseres maximales Signal-Rausch-Verhltnis errei-chen. Auch steigt hug die Intraszenen-Dynamik eines Bildsensors mit der Fullwell-Kapazitt, welche sich aus dem Verhltnis von Fullwell-Kapazitt zu Ausleserauschen bestimmt. Die Dynamik eines Pixels be-schreibt die Anzahl der unterscheidbaren Helligkeitsstufen.

    Ein groes Pixel hat zwar eine hhere Dynamik und eine grere Fullwell-Kapa-zitt, doch nehmen mit der Flche auch die Rauschwerte zu, was sich insbesondere bei schlechten Lichtverhltnissen nachteilig auf die Empndlichkeit auswirkt. Zwischen diesen verschiedenen Kriterien gilt es, ei-nen Kompromiss zu nden. Fr kurze Be-lichtungszeiten und dunkle Lichtverhltnis-se ist die Empndlichkeit wichtig, was fr kleine Pixel spricht. Ist ein hoher Kontrast gewnscht, sind groe Pixel interessant. Die Gre der Pixel ist auf die konkrete An-wendung abzustimmen. So haben Handy-Kameras eine Pixelgre von (1,4 m), bei highspeed-Kameras betrgt sie durchaus (12-18 m). Wissenschaftliche Arbeiten haben gezeigt, dass bei einer mittleren Pi-xelgre von (6-8 m) ein optimales Ver-hltnis von Rauschen, Fullwell-Kapazitt und Dynamik erreicht wird.

    ABB. 5: Aufnahmen desselben Testmusters, die jeweils mit der gleichen Ausung, demselben Objektabstand, demselben Fllfaktor gemacht wurden. Unterschiedlich sind die Pixelgre, die Brennweite und die Objektiveinstellungen:[a] Pixelgrsse 14,8 m x 14,8 m, f = 100 mm, Blendenzahl = 16,

    [b] Pixelgrsse 7,4 m x 7,4 m, f = 50 mm, Blendenzahl = 16,

    [c] Pixelgrsse 7,4 m x 7,4 m, f = 50 mm, Blendenzahl = 8.