[Ausleserauschen] – Was ist Ausleserauschen?

Wenn eine Kamera die in jedem Pixel einer Aufnahme erfasste Lichtmenge misst, tritt immer ein gewisser Fehler auf. Diese Ungenauigkeit wird als Leserauschen oder Ausleserauschen bezeichnet.

Da Signale, die aus unterschiedlichen Photonenzahlen bestehen, erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden, die in Elektronen gemessen werden, wird das Ausleserauschen in Elektronenzahlen (e-) angegeben. Aufgrund der Präzision der Elektronik in modernen wissenschaftlichen Kameras ist dieses Ausleserauschen typischerweise sehr gering und liegt bei Kameras, die bei schwachem Licht arbeiten, in der Größenordnung von 1 bis 3e-.

Bei Anwendungen mit hoher Lichtintensität, beispielsweise wenn jedes Pixel Tausende von Photonen erfasst, ist dieser Fehler im Vergleich zum Signal winzig, sodass Lese-Rauschen von weniger als 5e- praktisch ignoriert werden kann. Im Vergleich zu einem Signal mit 2.000 Photoelektronen würde beispielsweise ein Lese-Rauschen von selbst 10e- einen Unterschied von weniger als 3 % im Signal-Rausch-Verhältnis bewirken und wahrscheinlich nicht wahrnehmbar sein. Bei geringer Lichtintensität, bei der die Photonenanzahl im zweistelligen Bereich liegen kann, kann ein geringes Lese-Rauschen jedoch einen signifikanten Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis und die Bildqualität haben.

Aufgrund ihrer parallelen Architektur weisen alle CMOS-Kameras eine Verteilung der Leserauschwerte von Pixel zu Pixel auf. Daher werden in Datenblättern manchmal zwei Werte für das Leserauschen in e- angegeben. Der Medianwert wird so angegeben, dass 50 % der Pixel einen Leserauschwert von oder unter diesem Wert aufweisen und gibt Aufschluss über den typischen Leserauschwert der Kamera. Der RMS-Wert (Root-Mean-Square) gibt den quadratischen Mittelwert der gesamten Leserauschverteilung an und gibt Aufschluss über den Anteil von Pixeln mit hohem Leserauschen, die nicht in der Medianmessung enthalten sind.

Einige spezielle Kameras für die Bildgebung bei schwachem Licht verfügen über einen rauscharmen Modus namens Correlated Multi-Sampling Mode (CMS). In diesem Modus wird eine gewisse Reduzierung der Bildrate gegen eine präzisere Signalmessung eingetauscht, was zu Leserauschwerten von nur etwa 1,1e- (Median) / 1,2e- (RMS) führt.