[ DSNU ] – Was ist Dunkelsignal-Nichtuniformität (DSNU)?

DSNU bezeichnet die Variation des Hintergrundsignals eines Kamerabildes, wenn kein Licht (oder Photonen) auf den Sensor fällt. Es gibt an, wie stark die Pixelverschiebungen über den Sensor variieren, wenn ein Bild in völliger Dunkelheit aufgenommen wird.

DSNU gewinnt insbesondere bei Aufnahmen in schwachem Licht an Bedeutung, da die Kamera bei Dunkelheit ein dunkles oder verzerrtes Bild erzeugt. In solchen Fällen kann der Offset-Wert der Pixel variieren, und DSNU wird relevant, vor allem wenn er vergleichbar mit oder größer als das Ausleserauschen der Kamera (typischerweise 1–3e-) ist.

 

1. Warum DSNU in der Bildgebung wichtig ist

 

1) Bildgebung bei schwachem Licht:

 

Bei Dunkelheit erzeugt der Kamerasensor ein Signal, das nicht null ist, sondern typischerweise einen Offset-Wert (z. B. 100 Graustufen) aufweist. Dieser Offset wird durch das elektronische Rauschen der Kamera beeinflusst, wobei die Offset-Werte von Pixel zu Pixel variieren können. Diese Variation der Pixel-Offset-Werte wird als Festmusterrauschen bezeichnet und entsteht durch Inkonsistenzen im Dunkelsignal des Sensors zwischen den einzelnen Pixeln.

 

2) Festes Rauschmuster:

 

DSNU quantifiziert die zeitunabhängige Variation dieser Offsetwerte. Es liefert ein Maß dafür, wie konsistent das Dunkelsignal des Sensors über verschiedene Pixel hinweg ist.

 

2. DSNU und Bildqualität

 

1) Standard-DSNU-Werte:

 

Bei den meisten Kameras für Aufnahmen bei schwachem Licht liegen die DSNU-Werte üblicherweise unter 0,5e- (Elektronen), was bedeutet, dass der Beitrag von DSNU zum Rauschen bei mittleren oder hohen Lichtverhältnissen vernachlässigbar ist.

 

2) Auswirkungen auf die Bildqualität:

 

Bei Bildern mit hoher Photonenzahl (z. B. Hunderte oder Tausende von Photonen pro Pixel) hat DSNU einen minimalen Einfluss. Bei schwachem Licht bleibt DSNU relevant, wenn es vergleichbar mit dem Ausleserauschen der Kamera (typischerweise 1–3e-) ist oder dieses übersteigt, was die Bildqualität beeinträchtigen kann.

 

3. Einschränkungen von DSNU:

 

DSNU (Dark Signal Non-Uniformity) ist ein Werkzeug zur Quantifizierung von Festmusterrauschen, erfasst aber nicht alle Arten von Festmusterrauschen, wie z. B. strukturiertes Rauschen (Fixed Pattern Noise) und zeitabhängiges Dunkelrauschen (Temporal Dark Noise).

 

1) Strukturierte Muster und Spaltenrauschen:

 

Strukturiertes Rauschen, insbesondere Spaltenrauschen, ist eine Art von Rauschen mit festem Muster, das auftritt, wenn bestimmte Pixel oder Pixelgruppen systematische Unterschiede in ihrem Dunkelsignal (Offsets) aufweisen, typischerweise entlang bestimmter Spalten oder Zeilen. Dieses Rauschen erscheint in einem strukturierten Muster und nicht als zufällige Schwankungen.

 

2) Zeitabhängige Variationen:

 

Zeitabhängiges Rauschen bezeichnet Schwankungen des Dunkelsignals eines Sensors im Zeitverlauf, verursacht durch Faktoren wie Temperaturschwankungen, elektronische Instabilität oder Alterung des Sensors. Diese Schwankungen führen dazu, dass die Offsetwerte der Pixel von Belichtung zu Belichtung variieren. DSNU misst zeitunabhängiges Rauschen und berücksichtigt daher diese zeitlichen Änderungen der Offsetwerte nicht. Um zeitabhängige Variationen zu beobachten, ist eine Sequenz von Bias-Bildern (Bilder ohne Licht) erforderlich, die über einen bestimmten Zeitraum aufgenommen werden, um diese Schwankungen zu erfassen.

 

4. DSNU in praktischen Anwendungen

 

Bei der Bildgebung mit hoher Lichtintensität ist DSNU vernachlässigbar, da das Photonensignal viel stärker ist als jede Dunkelsignalvariation.

 

Für Anwendungen wie Einzelmolekül-Bildgebung, Quantenbildgebung und astronomische Beobachtungen werden Kameras benötigt, die extrem schwache Lichtsignale erfassen. Diese Signale liegen typischerweise im Bereich von 1–3 Elektronen (e⁻) oder sogar darunter. Daher kann zusätzliches Rauschen (wie z. B. DSNU) die Qualität des endgültigen Bildes beeinträchtigen und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verringern. Aus diesem Grund verfügen moderne, hochempfindliche wissenschaftliche Kameras über DSNU-Korrekturfunktionen. Je niedriger der DSNU-Wert, desto höher die quantitative Genauigkeit.

 

Moderne industrielle Inspektionsverfahren erfordern immer höhere Präzision, insbesondere in der Halbleiterindustrie, wo die quantitativen Anforderungen an Defektsignale mit denen wissenschaftlicher Bildgebungsverfahren bei schwachem Licht vergleichbar sind. Die Dunkelsignal-Nichtuniformität (DSNU) ist in diesem Zusammenhang von ebenso großer Bedeutung. Der Artikel „Warum die DSNU/PRNU-Korrektur bei der Halbleiterinspektion wichtig ist" bietet eine sehr detaillierte Erklärung.