Bestimmung der Quanteneffizienz von CCD- und CMOS-Kameras

Semesterarbeit

Tobias Probst, WS 2011/12

Aufgabenstellung

Thema der Studienarbeit ist das Entwickeln und Aufbauen eines automatisierten Prüfstands zur Bestimmung der Quanteneffizienz von CCD- und CMOS-Kameras, nach dem Standard EMVA (European Machine Vision Association) 1288. In einer komfortablen Weise werden hierbei die Messdaten unter Zuhilfenahme der Image Acquisition Toolbox von Matlab, vollständig automatisiert erfasst und ausgewertet.

Der Aufbau umfasst außerdem eine Kalibrierung von LEDs verschiedener Spektren, die für eine definierte und variable Bestrahlung der Bildsensoren im Prüfablauf dienen. Die digitalen Bildsensoren werden dabei mit drei verschiedenen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung bewertet.

Der Standard EMVA 1288

Bei dem Standard EMVA 1288 handelt es sich um eine Richtlinie zur objektiven und komparablen Bewertung von digitalen Bildsensoren. Die Idee ist dabei, der rasanten Entwicklung der Sensoren, so wie der willkürliche Charakterisierung und Bewertung von Seiten der Kamerahersteller entgegen zu wirken, um einen objektiven Vergleich zwischen den Bildsensoren zu ermöglichen. Wichtig ist dabei, dass ausschließlich der Bildsensor, also ohne Objektiv, bewertet wird. Grund dafür ist, dass es sich beim Aufbau eines optischen Systems immer aus einer geschickten und neuen Kombination von verschiedenen opto- oder optoelektronische Bauelementen handelt, wodurch eine Systembewertung nicht praktikabel ist.

Der Standard schreibt dabei ausschließlich die Messprinzipien und die Auswertung vor, jedoch nicht, welche Messmittel hierfür verwendet werden sollen. Neben den Kunden und Entwickler profitieren selbst die Kamerahersteller von dem Standard, die eine eindeutige Richtung zur Entwicklung und Verbesserung ihrer Produkte vorgegeben bekommen.

Die Quanteneffizienz

Die Quanteneffizienz beschreibt den wellenlängenabhängigen Umwandlungsprozess von Photonen in Elektronen und ist damit ein Gütekriterium eines Photodetektors. Sie wird im Standard EMVA 1288 aus der Kennlinie der Sensitivität und Photonentransfer ermittelt. Abhängig von der Beleuchtungssituation ist die sie ein wichtiger Qualitätsfaktor für das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch ihr diese Studienarbeit gewidmet wurde.

Versuchsaufbau

Gemäß den Vorgaben des Standrads wurde eine Messeinrichtung errichtet. Zur Bestrahlung des Bildsensors durch eine homogene und diffuse Beleuchtung dient eine Ulbrichtsche Kugel mit LEDs. Dabei wurden LEDs mit einer spektralen Halbwertsbreite <50nm gewählt. Für eine definierte Beleuchtung werden die LEDs zuvor durch ein eigens entwickeltes Kalibrierungsverfahren kalibriert, wodurch bis zu 255 Leistungswerte variiert werden können. Die Bildsensoren können dabei durch eine blaue, rote oder grüne LED beleuchtet werden. Die Ansteuerung wird dabei durch ein mit Matlab programmierbares Netzgerät realisiert. Am zweiten Ausgang wurde entsprechend der im Standard genannten Blendenzahl ein Kunststoffrohr angebracht, um den maximalen Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf den Bildsensor zu begrenzen. Das Rohr ist dabei mit einem nichtreflektierenden Stoff ausgekleidet. Über ein C-Mount-Gewinde können die Kameras direkt angeschraubt werden.

Bild zum Messaufbau nach dem Standard EMVA 1288

Bild 1: Messaufbau nach dem Standard EMVA 1288. Dabei wird die LED in der oberen Öffnung der Ulbrichtschen Kugel mit einem programmierbaren Netzgerät über Matlab angesteuert. An der seitlichen Öffnung befindet sich eines mit schwarzem Stoff ausgekleidetes Rohr und die zu vermessende Kamera.

Messung der Quanteneffizienz

Unter Matlab wurde eine grafische Benutzeroberfläche erstellt, mit welcher der Anwender die Messung konfigurieren kann. Neben der Eingabe der Kamera spezifischen Eigenschaften muss die maximale, wellenlängenabhängige Bestrahlungsstärke durch die LED und die Belichtungszeit der Kamera so gewählt werden, dass die Kamera im Prüfablauf in Sättigung gebracht wird. Dies bedeutet, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildsensors seinen maximalen Wert überschreitet, was Voraussetzung für die Bestimmung der Full-Well-Kapazität ist.

Darstellung der Grafischen Benutzeroberfläche für die Messung der Quanteneffizienz unter Matlab

Bild 2: Grafische Benutzeroberfläche für die Messung der Quanteneffizienz unter Matlab. Nach laden der Kalibrierungsdatei kann die Bestrahlungsstärke durch die LED gesteuert werden. Ebenso können die Eigenschaften der zu vermessenden Kamera angepasst werden. Die eigentliche Messung und Auswertung wird hieraus ebenfalls gestartet.

Durch einen Vorschaumodus können Grauwertbilder der Kamera aufgenommen werden, wobei der visuelle Eindruck und die Differenzierbarkeit zwischen den Graustufen durch eine Falschfarbenzuordnung verbessert wird.

Im Messablauf wird der Bildsensor mit den kalibrierten Bestrahlungsstärken bestrahlt. Die Ansteuerung erfolgt ebenso mit dem programmierbaren Netzgerät. Es werden drei Diagramme erstellt, die vom Anwender live verfolgt werden können. An der Stelle des maximalen Signal-Rausch-Verhältnisses, was der Definition der Sättigung nach dem EMVA 1288 entspricht, wird dabei eine vertikale grüne Linie eingezeichnet.

Grafische Darstellung einer Kurve der Empfindlichkeit eines Bildsensors nach der Auswertung

Bild 3: Kurve der Empfindlichkeit eines Bildsensors nach der Auswertung. Dabei ist eine vertikale grüne Linie am Punkt der Sättigung eingezeichnet. Der Kurvenverlauf ist zuerst linear zwischen dem Grauwert und der Bestrahlungsstärke. Ist der Sensor in der Sättigung kann der Grauwert nicht mehr größer werden und die Steigung der Kurve wird null.

Grafische Darstellung einer Kurve der Photonentransferfunktion eines Bildsensors nach der Auswertung

Bild 4: Kurve der Photonentransferfunktion eines Bildsensors nach der Auswertung. Dabei ist eine vertikale grüne Linie am Punkt der Sättigung eingezeichnet. Die Kurve steigt zu Beginn linear an. Am höchsten Punkt der Kurve befindet sich der Sensor in Sättigung, die Varianz des Grauwerts hat den maximalen Wert angenommen.

Grafische Darstellung einer Kurve des Signal-Rausch-Verhältnisses eines Bildsensors nach der Auswertung

Bild 5: Kurve des Signal-Rausch-Verhältnisses eines Bildsensors nach der Auswertung. Dabei ist eine vertikale grüne Linie am Punkt der Sättigung eingezeichnet. Die rote Kurve ist die ideale Kurve des Signal-Rausch-Verhältnisses. Die schwarze Kurve der Verlauf nach dem linearen Kameramodell.

Aus dem Quotient der Verstärkung K (Steigung der Empfindlichkeitskurve) und der spezifischen Sensitivität R (Steigung der Photonentransferkurve) kann die Quanteneffizienz bestimmt werden. Die Full-Well-Kapazität kann am Punkt des maximalen Signal-Rausch-Verhältnisses mit der Pixelgröße, der Belichtungszeit, Wellenlänge und der Bestrahlungsstärke bestimmt werden.

Zusammenfassung

Mit der Studienarbeit konnten im Labor Technische Optik Kompetenzen im Bereich der objektiven und standardisierten Bewertung von digitalen Bildsensoren erarbeitet werden. Neben dem Versuchsaufbau konnte eine automatischer Messablauf sowie eine LED Kalibrierung realisiert werden. Die Vermessung kann dabei unter verschiedenen Wellenlängen durchgeführt werden. Zum Abschluss des Projekts wurden von der Firma IDS Imaging Development Systems aus Obersulm mehrere digitale Industriekameras vermessen, wodurch die praktische Tauglichkeit des Prüfstands verifiziert werden konnte.

Ausblick

Da mit der Studienarbeit Schwerpunkt auf die Bestimmung der Quanteneffizienz gelegt wurde, konnte nur ein Teil des Standard EMVA 1288 abgedeckt werden. Weitere interessante Parameter wären die Inhomogenität des Dunkelwerts und der Empfindlichkeit des Bildsensors. Außerdem wäre der Verlauf der Quanteneffizienz über einen größeren Bereich, zum Beispiel über das sichtbare Licht wichtig zur richtigen Auslegung digitaler Bildsensoren im praktischen Einsatz.

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