Pepperl+Fuchs ist ein weltweit tätiger Hersteller von Sensoren und Komponenten für die Prozess- und Automatisierungstechnik. Das Portfolio umfasst auch kamerabasierte Systeme wie Vision-Sensoren und optische Identifikationssysteme, die beim Tochterunternehmen Omnitron am Standort Griesheim entwickelt werden. Hier wurde, im Rahmen einer Diplomarbeit, ein Verfahren eingeführt, um die Empfindlichkeit der Kamera-Hardware unter Berücksichtigung des Rauschens qualifizieren zu können. Dabei kam auch der Standard EMVA 1288 zum Einsatz.

Der Standard EMVA 1288 der European Machine Vision Association wurde entwickelt, um den Anwendern einen Vergleich der Kamera-Kenndaten aus den unterschiedlichen Hersteller-Datenblättern zu ermöglichen. Dieser Standard gibt einen definierten Versuchsrahmen sowie die Darstellung der resultierenden Daten vor. Eine Methode innerhalb des Standards ist die Photon Transfer Methode (PTM). Die Diplomarbeit hat sich am EMVA 1288-Standard orientiert um eine spätere Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten.

Entstehung von Rauschen

Als Einführung in den Standard sei hier kurz die Funktionsweise einer Kamera erläutert. Licht fällt in Form von Photonen auf den Bildsensor. Durch den Photoeffekt werden Ladungsträger im Bildsensor freigesetzt. Die so gebildete Ladung wird mit Hilfe eines Kondensators in eine Spannung umgewandelt. Ein Verstärker verstärkt diese Spannung, bevor sie mit einem ADC (Analog Digital Converter) digitalisiert wird. Die digitalisierten Stufen lassen sich in Form von Grauwerten in Bildern darstellen.

In diesem Prozess entsteht ein Rauschen auf dem Signal. Dieses Rauschen unterteilt sich in drei Hauptgruppen: ein zeitliches Rauschen, ein örtliches Rauschen und das Quantisierungsrauschen.

Beim zeitlichen Rauschen variiert das digitale Signal eines einzelnen Pixels von Bildaufnahme zu Bildaufnahme. Die Ursachen des örtlichen Rauschens liegen im Herstellungsprozess des Bildsensors. In Bildern ist es als ortsfestes Muster zu erkennen. Es ist auch vorhanden, wenn jedes Pixel exakt mit der gleichen Lichtmenge belichtet wird und das zeitliche Rauschen beseitigt wurde.

Gerade CMOS Bildsensoren leiden stark unter örtlichem Rauschen. Die Ursache für das Quantisierungsrauschen liegt in der Konvertierung der verstärkten Spannung in ein digitales Signal mit diskreten Stufen. Je grober diese Stufen sind, desto größer ist dieser Rauschanteil.

Standardisierte Messbedingungen

Der Standard EMVA 1288 beschreibt ein komplettes Setup für den Versuchsaufbau und die Messbedingungen. Zuerst ist es wichtig, die Kamera vom Umgebungslicht abzuschatten und mit einer definierten monochromen Beleuchtung zu arbeiten. Die Wellenlänge kann dabei beliebig gewählt werden. Außerdem sollte der Bildsensor möglichst homogen beleuchtet sein. Ohne die Verwendung eines Objektivs und mit Beleuchtung über einen Lambert'schen Strahler wird dies optimal erreicht.  Die geometrische Konfiguration ist im Standard sehr einfach und verständlich beschrieben. Der Durchmesser der Beleuchtung soll mit dem Abstand zur Kamera die Blendenzahl F# 8 ergeben. Abbildung 2 zeigt den verwendeten Versuchsaufbau.

Die Beleuchtung ist annähernd ein Lambertstrahler, dessen Blende einen Durchmesser von 25 mm hat. Der Abstand zur Kamera beträgt folglich 200 mm. Wichtig ist, dass die geometrischen Mittelpunkte beider Komponenten auf einer Achse liegen und nicht zueinander verkippt sind.

Zusätzlich sind noch Einstellungen an der zu vermessenden Kamera vorzunehmen:

• Die Grauwert-Auflösung (Anzahl der Bits pro Pixel) muss so hoch wie möglich sein. Eine hohe Bitzahl bietet dem ADC mehr Stufen, um das analoge Signal zu diskretisieren. Je größer die Auflösung ist, desto geringer ist das Quantisierungsrauschen.


• Die Verstärkung muss so gering wie möglich, aber ausreichend groß sein, dass das gesamte Rauschen größer gleich einem Grauwert entspricht.


• Der Offset (Black Level Calibration) muss so gering wie möglich, aber ausreichend groß sein, dass das Dunkelsignal größer gleich einem Grauwert entspricht.


• Es dürfen keine automatischen Korrekturen und/oder Einstellungen verwendet werden.


• Die Messung muss im Linearbetrieb der Kamera durchgeführt werden.

Ausgangssignal und Rauschen

Das Ausgangssignal eines Bildes wird laut Standard EMVA 1288 durch den Mittelwert aller Grauwerte des Bildes repräsentiert. Die Amplitude des digitalen Ausgangssignals wird von zwei Rauschquellen dominiert, dem „Photon Noise" und dem „Amplifier Noise". Photon Noise entsteht durch die Natur des Lichtes selbst. Die Photonen treffen nicht regelmäßig auf den Bildsensor auf. Die Unregelmäßigkeit ist durch die Poissonverteilung bestimmt. Das Amplifier Noise ist ein weißes Rauschen und entsteht im Verstärker. Beide Größen können dem zeitlichen Rauschen zugeordnet werden. In der gewünschten Betrachtung der Empfindlichkeit war deshalb nur das zeitliche Rauschen erforderlich.