29.04.2022Die Photoempfindlichkeits-Nichtuniformität (PRNU) beschreibt die Gleichmäßigkeit der Lichtempfindlichkeit einer Kamera und ist besonders wichtig bei Anwendungen mit hoher Lichtintensität. PRNU quantifiziert die Schwankungen der Verstärkung – des Verhältnisses der detektierten Photoelektronen zum entsprechenden digitalen Graustufenwert (ADU) – zwischen den Pixeln eines Kamerasensors.
1. PRNU in der Bildgebung
1) Grundkonzept der PRNU
Wenn eine Kamera Licht detektiert, erfasst jedes Pixel während der Belichtung eine bestimmte Anzahl von Fotoelektronen. Diese werden anschließend vom Analog-Digital-Wandler (ADC) in einen digitalen Graustufenwert (ADU) umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt anhand eines Verhältnisses von ADU zu Elektron, der sogenannten Umwandlungsverstärkung, und eines festen Offset-Werts (typischerweise etwa 100 ADU). Diese Werte werden vom ADC und dem für die Umwandlung verwendeten Verstärker bestimmt.
CMOS-Kameras erreichen hohe Geschwindigkeit und geringes Rauschen durch Parallelbetrieb mit einem oder mehreren Analog-Digital-Wandlern pro Spalte und einem Verstärker pro Pixel. Dieser Parallelbetrieb ermöglicht eine schnelle Datenverarbeitung, kann aber geringfügige Schwankungen der Verstärkungs- und Offsetwerte zwischen den Pixeln verursachen.
2) PRNU und Festmusterrauschen
Die PRNU (Pixel-Rausch-Verhältnis) beschreibt jegliche Schwankungen der Verstärkung (des Verhältnisses von Elektronen zu ADU) zwischen den einzelnen Pixeln. Während die Dunkelsignal-Nichtuniformität (DSNU) Schwankungen des Offset-Werts (die bei schwachem Licht zu festem Rauschen führen) darstellt, berücksichtigt die PRNU Schwankungen der Verstärkung selbst. Diese Schwankungen können ebenfalls festes Rauschen verursachen, sind aber typischerweise bei hohen Lichtstärken deutlicher sichtbar.
2. PRNU und Bildqualität
1) PRNU und Bildgebung bei schwachem Licht
Bei Aufnahmen mit schwachem und mittlerem Licht (wo das Photonensignal relativ schwach ist, typischerweise im Bereich von 1000e- oder weniger) ist die PRNU-Variation im Vergleich zu anderen Rauschquellen wie Ausleserauschen oder Dunkelsignalrauschen (DSNU) im Allgemeinen unbedeutend. In diesen Fällen hat die PRNU-Variation nur geringe Auswirkungen auf die Gesamtbildqualität.
2) PRNU und Hochlicht-Bildgebung
Bei Anwendungen mit hoher Lichtintensität ist der Einfluss von PRNU auf die Bildqualität minimal, insbesondere wenn andere Rauschquellen wie das Photonenschrotrauschen die Bildqualität dominieren. In Anwendungen, die eine hohe Messgenauigkeit erfordern (z. B. Bildmittelungs- oder Bildsummierungsverfahren), kann ein niedriger PRNU-Wert jedoch vorteilhaft sein, um eine höhere Genauigkeit zu gewährleisten und subtile Inkonsistenzen in der Lichtempfindlichkeit des Sensors zu reduzieren.
3. Typische PRNU-Werte
Die typischen PRNU-Werte der meisten CMOS-Sensoren liegen in der Regel unter 1 %. Bei Bildgebungsanwendungen unter schwachen und mittleren Lichtverhältnissen ist die Abweichung des PRNU-Wertes üblicherweise zu gering, um das Bild signifikant zu beeinflussen.
4. PRNU in praktischen Anwendungen
PRNU ist ein wichtiger Faktor in Anwendungen, bei denen die Messgenauigkeit von entscheidender Bedeutung ist, wie zum Beispiel:
Wissenschaftliche Bildgebung: Wo bereits geringe Schwankungen der Lichtstärke die Ergebnisse beeinflussen können.
Industrieinspektionen:Wo präzise Messungen erforderlich sind, insbesondere bei der Halbleiterinspektion oder Qualitätskontrolle. Der Artikel „Warum die DSNU/PRNU-Korrektur bei der Halbleiterinspektion wichtig ist"erklärt die Bedeutung von PRNU in praktischen Anwendungen.
In diesen Fällen kann die Sicherstellung eines niedrigen PRNU-Werts (weniger als 1 %) dazu beitragen, die quantitative Genauigkeit zu verbessern und das Festmusterrauschen zu reduzieren, insbesondere bei der Verwendung von Techniken wie der Mittelwertbildung von Einzelbildern oder der Summenbelichtungen zur Verbesserung der Signalqualität.
