Christian Linkenheld
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Vorführraum

 

Die mit einer Kamera aufgenommenen Bilder müssen bestimmten Qualitätskriterien genügen. Hier sind besonders zwei Merkmale entscheidend:

  1. Die Aufnahmen sollen über ein möglichst geringes Bildrauschen verfügen.
  2. Der im Präparat enthaltene Kontrastumfang soll so in das Bild übertragen werden, dass weder die Lichter noch die Tiefen abreißen. Die hellsten und dunkelsten Bildpartien müssen noch über eine entsprechende Zeichnung verfügen.

 

Bildrauschen
   

 

Die wesentlichen Quellen für das Bildrauschen sind:

  • Dunkelrauschen - in einer CCD-Zelle werden Ladungen nicht nur durch Licht, sondern in gewissem Umfang auch bereits völlig ohne Lichteinfall generiert. Dieser Vorgang ist stark temperaturabhängig und das Dunkelrauschen steigt mit zunehmender Temperatur an. Besonders hochwertige Kameras verfügen deshalb über eine Vorrichtung zur Kühlung (typischerweie durch Peltier-Elemente).
     
  • Ausleserauschen - während des Auslesens und Verarbeitens der generierten Ladungen (z.B. bis zur Digitalisierung) treten ebenfalls Verfälschungen auf, die als "Ausleserauschen" bezeichnet werden. Das Ausmaß dieser Rauschkomponente hängt von der Qualität der entsprechenden Elektronik ab.

  • Photonenrauschen - hierbei handelt es sich bei gleichbleibender Belichtung um die statistische Fluktuation des Photonenflusses um den Mittelwert. Diese Art des Rauschens ist nicht zu vermeiden und liegt im Bereich der Quadratwurzel des jeweiligen Mittelwertes.

Auslese- und Dunkelrauschen bilden das Kamerarauschen. Wie stark das Rauschen der Kamera nun im Bild auftritt hängt von weiteren Faktoren ab:

  • Pixelgröße - je größer ein Pixel ist, desto mehr Licht (Anzahl der Photonen) wird zur Generierung einer Ladung durch dieses Pixel eingefangen. Hierdurch steigt das Verhältnis zwischen Signal (= generierte Ladung) und den Rauschkomponenten im Vergleich zu kleineren Pixeln an. Besonders kleine Pixel finden sich auf den Sensoren verschiedener digitaler Kompaktkameras.
     
  • Signalverstärkungen - wählt man beispielsweise bei einer digitalen Spiegelreflex- oder Kompaktkamera statt ISO 100 eine Empfindlichkeit von ISO 400, so erfolgt die Erhöhung der Empfindlichkeit durch eine Signalverstärkung. Die Rauschkomponenten werden hierbei ebenfalls verstärkt. Eine weitere oftmals übersehene Quelle für eine Signalverstärkung stellt der Weißabgleich dar.

 

Die Eingangsdynamik einer Kamera
   

 

Die obige Darstellung zeigt den Einfluss der Eingangsdynamik (oder kurz "Dynamik") einer Kamera auf deren Fähigkeit Motivkontraste verarbeiten zu können. Bei einer geringen Eingangsdynamik sind im dargestellten Beispiel gleichzeitig unter- und überbelichtete Bereiche zu erkennen. Eine hohe Eingangsdynamik bedeutet somit, dass eine Kamera entsprechend große Motivkontraste noch differenziert darstellen kann. Gleichzeitig nimmt auch die Gefahr von Unter- und Überbelichtungen ab.

 

Welche Faktoren bestimmen die Eingangsdynamik einer Kamera?

Die Anzahl der Elektronen, welche im Potenzialtopf einer CCD-Zelle während der Belichtung "gesammelt" werden können wird als Full Well Capacity bezeichnet. Je größer ein Pixel ist, desto höher ist dessen Full Well Capacity. Das Erreichen der Full Well Capacity stellt die Grenze zur Überbelichtung dar. Der zusätzliche Lichteinfall generiert keine weitere Zunahme der Ladung für diese Zelle.

Zwischen der Beleuchtungsstärke ("Helligkeit") und der generierten Ladung besteht bis zur Full Well Capacity ein weitgehend linearer Zusammenhang. Ein typischer Wert für die Full Well Capacity beträgt z.B. 50000 Elektronen. Wenn alle zum Rauschen beitragenden Faktoren vernachlässigt werden, so könnte eine entsprechende Kamera einen Motivkontrast von 50000 : 1 bewältigen. Die geringste von Schwarz differenzierbare Helligkeit würde dann 1 Elektron in den Potenzialtopf bewegen. Das Kamerarauschen bedingt jedoch, dass diese Annahme so nicht gilt.

Nachfolgend soll vorausgesetzt werden, dass das Kamerarauschen bei 50 Elektronen liegt. Dann könnten wir davon ausgehen, dass alle generierten Ladungspaktete < 50 Elektronen für Schwarz stehen und die geringste von Schwarz differenzierbare Helligkeit durch 50 Elektronen repräsentiert wird. Der bewältigbare Motivkontrast wäre dann 50000 : 50 = 1000 : 1.

Die Eingangsdynamik einer Kamera wird oftmals in Dezibel (dB) angegeben.

Eingangsdynamik(dB) = 20 x log (FWC/KR)

FWC: Full Well Capacity
KR: Kamerarauschen

Die oben angeführte Kamera hätte dann eine Eingangsdynamik von 60 Dezibel.

Die Eingangsdynamik ist ein ganz entscheidendes Qualitätskriterium für die eine Kamera. Sehr viele mehr oder weniger billige Kameras, die oft per C-Mount an ein Mikroskop adaptiert werden können haben hier deutliche Schwächen. Insbesondere Kameras mit einem CMOS-Sensor statt eines CCD-Chips fallen hier regelmäßig negativ auf.


Am Rande bemerkt:

Oftmals wird die Bittiefe des von der Kamera ausgegebenen Bildes mit der Dynamik der Kamera gleichgesetzt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Prinzipiell kann man die Eingangsdynamik in eine beliebige Bittiefe transformieren. Im angeführten Beispiel mit einer Dynamik von 1000 : 1 könnte man eine Bittiefe von 10 Bit (1024 differenzierbare Helligkeitswerte) sinnvoll einsetzen. Man kann jedoch auch 12 Bit als Bittiefe ansetzen. Die untersten 2 Bit enthalten dann keine wirkliche Information, sondern durch das Rauschen bestimmte zufällige Werte. Man kann aber auch die Bittiefe auf 8 Bit reduzieren. Dann geht von der ursprünglichen Eingangsdynamik zwar nichts verloren, aber die Differenzierung zwischen den Helligkeitswerten wird vergröbert.


 

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06/03/2016