SWIR-Bildsensoren sind für Wellenlängen im nahen Infrarot bis 1,7µm oder darüber hinaus empfindlich. Mit längeren Wellenlängen kann man z.B. weiter durch Dunst und Nebel sehen und Materialien besser unterscheiden. SWIR-Bildsensoren beruhen (wie diejenigen im sichtbaren Bereich) auf dem inneren Photoeffekt. Ein Teil der auf ein Pixel einfallenden Photonen (mit der Quantenausbeute ), sowie Ladungsträger, die über die Belichtungszeit akkumuliert, verstärkt und digitalisiert werden. Bis zur Version 3.1 nahm der EMVA-1288-Standard ein einfaches Rauschmodell an. Neben dem Rauschen der einfallenden Strahlung (Schrotrauschen) wurde angenommen, dass sich alle anderen Rauschquellen mit einem grauwertunabhängigen Dunkelrauschen zusammenfassen lassen und in dem Bildsensor keine weiteren Prozesse oder Vorverarbeitung stattfinden, die das Rauschen modifizieren. Mit diesem einfachen Modell konnte man aus der Messung des Rauschens als Funktion der einfallenden Bestrahlungsstärke direkt die Quantenausbeute , die Systemverstärkung K und die Varianz des Dunkelrauschens d2 bestimmen.
EMVA 1288 Standards Version 4.0
Dieses einfache Modell gilt nicht bei einigen der modernen Bildsensoren. Offensichtlich ist dies bei einer nichtlinearen Kennlinie. Aber auch bei einer linearen Beziehung zwischen Eingangssignal (einfallende Strahlung) und Ausgangssignal (digitaler Grauwert) muss es nicht stimmen und damit ergibt die Bestimmung der Quantenausbeute nach dem linearen EMVA-1288-Modell fehlerhafte Quantenausbeuten. Mit der Version 4.0 des EMVA-1288-Standards ist es nun möglich, komplett auf ein Modell zu verzichten. Der Fokus liegt jetzt auf der Schlüsselgröße, die den Anwender letztendlich interessiert, nämlich, wie gut ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Das SNR lässt sich ohne Modellannahmen direkt aus dem Ausgangssignal messen, in dem man den Mittelwert des Signals µ durch die Standardabweichung des zeitlichen Rauschens teilt.
SNR = µ/
Auch der Einfluss der Variation von Pixel zu Pixel (räumliche Inhomogenität) lässt sich in dieses Konzept integrieren, in dem man die Standardabweichung der räumlichen Variation s quadratisch addiert und damit ein totales SNR berechnet.
SNR(total) = µ/(2+s2)1/2
Bei einer nichtlinearen Kennlinie, muss zwischen einer Ausgangs-SNR und Eingangs-SNR unterschieden werden. Letztlich interessiert den Anwender, wie gut die Bestrahlungsstärke auf der Bildsensorebene bestimmt werden kann. Aus der Steigung der Kennlinie kann die Ausgangs-SNR in die qualitätsbestimmende Eingangs-SNR umgerechnet werden. Weiterhin ist entscheidend, dass die Qualität des bestmöglichen Bildsensors angegeben werden kann. Dieser ist homogen und weist außer dem Photonenrauschen keine weiteren Rauschquellen auf. Daher ergibt sich für das SNR die Beziehung:
SNR(ideal) = µp1/2,
wobei µp die mittlere Anzahl der auf ein Pixel einfallende Anzahl von Photonen ist.
Vergleich SWIR- und VIS-SNR Diagramme
Mit diesem Wissen können wir leicht die Unterschiede in den Qualitätseigenschaften zwischen Bildsensoren im sichtbaren und SWIR-Bereich sehen. Bild 1 (SWIR) und Bild 2 (VIS) sind beispielhafte SNR-Diagramme in doppeltlogarithmischer Darstellung und zeigen welche Parameter entscheidend für die Bildqualität sind. Beide Sensortypen zeigen ein maximales SNR bei höchsten Bestrahlungsstärken. Bei SWIR-Sensoren ist dies in der Regel deutlich höher als bei Sensoren im sichtbaren Bereich. Das liegt an der wesentlich höheren Sättigungskapazität, die bei Sensoren im sichtbaren Bereich typischerweise bei etwa 10,000 Photonen/Pixel liegt und bei SWIR-Sensoren weit über 100,000 Photonen/Pixel. Wegen des höheren maximalen SNR bei SWIR-Sensoren wird die Signalqualität bei hohen Bestrahlungsstärken aber in der Regel durch die räumlichen Inhomogenitäten bestimmt (Bild 1). Auch bei geringer Bestrahlung spielt die Reduktion der Signalqualität durch Inhomogenitäten bei SWIR-Sensoren noch eine Rolle, während dies bei guten visuellen Sensoren nicht der Fall ist (Bild 2). Weiterhin fällt der hohe Einfluss des Dunkelrauschens bei SWIR-Sensoren auf. Fast über den gesamten Sättigungsbereich wird die Signalqualität dadurch begrenzt und die SNR wird mit kleiner werdender Bestrahlung immer schlechter im Vergleich zum idealen Sensor. Das ist bei Sensoren im visuellen Bereich viel weniger der Fall. Durch das hohe Dunkelrauschen liegt ist zudem die absolute Empfindlichkeitsschwelle bei SWIR-Sensoren viel höher.
Fazit
Ein Blick auf die nach dem EMVA-1288-Standard gemessenen SNR-Kurven zeigt, was bei SWIR-Sensoren die kritischen Qualitätsparameter sind: die räumliche Inhomogenität und das hohe Dunkelrauschen. Damit spieltdie Quantenausbeute entgegen der landläufigen Meinung nur eine untergeordnete Rolle. Für alle Anwendungen, außer solchen mit sehr geringer Bestrahlung, hat die Quantenausbeute kaum eine Bedeutung für die Signalqualität. Durch eine optimale Wahl der Optik und Beleuchtung kann man die Bestrahlungsstärke viel mehr erhöhen, als durch eine leicht bessere Quantenausbeute.