Doch nicht nur die Verkleinerung der Fotodioden kann diesen Effekt bewirken. Auch äußere Einflüsse können ihre Auswirkungen auf das Quantisierungsrauschen haben. Dazu gehört an erster Stelle die Verwendung eines Microdrives (vor allem aus der ersten Generation – speziell die 340 MB Microdrives). Im Gegensatz zu Compactflash Karten handelt es sich hierbei um Miniaturfestplatten, die im Betrieb durch die mechanische Tätigkeit (Schreib/Lesezugriffe und Rotation der Platte) Energie in Form von Temperatur freisetzt. Aber auch ein heißer Autoinnenraum oder pralle Sonnenstrahlung lassen das Kameragehäuse zu einem "Backofen" werden.
Bildrauschen durch Komprimierung
Das Komprimierungsrauschen hat nun mit dem Aufbau des Sensors nichts zu tun. Es entsteht durch eine stark verlustbehaftete Komprimierung des Bildes im JPEG-Dateiformat. Dazu im entsprechenden Kapitel mehr.
Bildrauschen durch Schärfung
Auch das Schärfungsrauschen ist im Bereich der Kamerasoftware zu suchen und entsteht durch die kamerainterne Nachschärfung eines Bildes, wobei die Kontraste an Bildkanten verstärkt werden. Ist nun ohnehin ein Rauschen im Bild, wird dieses dadurch zusätzlich verstärkt.
Lösungsansatz Bildrauschen
Die beste Möglichkeit Bildrauschen zu vermeiden, ist dies erst gar nicht entstehen zu lassen. Klingt vielleicht blöd, ist aber durchaus erst gemeint.
Auf die natürlichen Phänomene oder Fertigungstoleranzen haben wir natürlich keinen Einfluss, aber die anderen Faktoren lassen sich durchaus beeinflussen. Mit diesen drei einfachen Tipps gelingt es das Bildrauschen zu minimieren:
- keine zu hohe Lichtempfindlichkeit an der Kamera einstellen und lieber, wie in der analogen Fotografie auch, eine Belichtung mit einer längeren Verschlusszeit unter Verwendung eines Stativs in Kauf nehmen
- Nach Möglichkeit die Bilder nicht im JPEG-Format auf der Kamera abspeichern. Wenn es unbedingt das JPEG-Format sein muss, dann wenigstens in der höchsten Qualitätsstufe (geringste Komprimierung)
- Die kamerainterne Bildnachbearbeitung nach Möglichkeit außer Kraft setzen oder zumindest die schwächste Form auswählen.
Ist es trotz allen Vorsichtsmaßnahmen zu einem Rauschen gekommen, kann man versuchen, dieses Rauschen im Bildbearbeitungsprogramm nachträglich zu reduzieren. Da das Bildrauschen überwiegend im Blaukanal eines Bildes vorliegt, kann man versuchen diesen Kanal mit einem Weichzeichner zu behandeln. Tritt das Rauschen durch Helligkeitsunterschiede der einzelnen Pixel auf (Luminanzrauschen) hilft eventuell ein Eingriff in den Luminanzkanal (LAB-Farbraum).
Sollte sich das Bildrauschen trotzdem nicht beseitigen lassen, sagt einfach, es wäre ein künstlerischen Gestaltungsmoment, das ja auch in der analogen Fotografie gerne eingesetzt wird ;-)
Problembereich Blooming
Blooming bezeichnet einen Energieüberschuß im Potentialtopf, das ein reines Weiß ohne jegliche Zeichnung liefert.
Ist die zugeführte Lichternergie auf die Fotodiode zu hoch (meist bei Langzeitbelichtungen, bei denen eine helle Lichtquelle direkt ins Objektiv strahlt) entlädt sich der Kondensator zu stark, so daß der Potentialtopf die Energie nicht aufnehmen kann und die überschüssige Energie auf benachbarte (anderstfarbige) Pixel überläuft. Dies führt im Zentrum der Überbelichtung zu "ausgefressenen Lichtern" ohne jegliche Zeichnung und am Rand des Bereichs zu farbigen Rändern.
Als Abhilfe wird bei vielen Kameraherstellern ein s.g. Antiblooming-Gate auf den Wavern angebracht, eine Art Überlaufrinne zwischen den einzelnen Fotozellen, in denen der elektrische Überschuß gefahrlos abfließen kann.
Funktionsweise Fotoelement
Die Grafik zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines einzelnen lichtempfindlichen Teils. Im Ruhezustand (unbelichtet) wird der, der Fotodiode nachgeschaltete Kondensator, beim Einschalten der Kamera mit Energie gefüllt. Bei einer Belichtung entleert sich der Kondensator entsprechend der Stärke in einen Potentialtopf. Der Spannungszuwachs in diesem Potentialtopf wird an einen Analog/Digital-Wandler weitergereicht, der diese Information dann in eine Bildinformation wandelt.
Je größer die Fotodioden sind, desto größer ist auch die lichtempfindliche Oberfläche und demenstprechend höher ist auch die Grundempfindlichkeit der einzelnen Fotozelle. Eine Erhöhung der Pixelanzahl pro Chip setzt bei gleich großer Chipfläche eine Verringerung der Größe einer Fotozelle voraus, was zu einer Verringerung der Lichtempfindlichkeit führt. Dieser Verringerung wird auf zwei Arten entgegengewirkt:
1) Vor jeder Fotodiode wird eine Mikrolinse angebracht, die das einfallende Licht bündelt. Dieser konstruktive Eingriff hat auch seine Vorteile in Bezug auf die optische Leistung des Systems, worauf ich noch weiter unten zurückkommen werde.
2) Das Signal, das an den Analog/Digital-Wandler weitergereicht werden soll, wird verstärkt. Dieser Eingriff wird auch zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit der Kamera genutzt und ist nicht unkritisch, denn er führt durch die Energiezufuhr auch zu einer Temperaturerhöhung.
Problembereich Bildrauschen
Als Bildrauschen wird ähnlich wie bei analogem Filmmaterial eine Störung in homogenen Farbflächen oder feinen Farbverläufen bezeichnet. Dieses Bildrauschen kann natürliche Ursachen haben, aber auch konstruktionsbedingt auftreten.
Bildrauschen durch Photonen
Bei diesem natürlichen Phänomen fallen Lichtteilchen verstreut in einem zufälligen Muster auf eine Fläche. Was bei analogem Filmmaterial durch die zufällige Anordnung der Silberkristalle kein Problem darstellt, kann sich jedoch bei Digitalkameras mit einer festen Anordnung der Fotozellen sichtlich bemerkbar machen – wenn auch nur in geringem Umfang. Diese Störungen können nicht korrigiert werden.
Bildrauschen durch Fertigungstoleranzen
Bei Millionen von Fotodioden auf einer Fläche von nur 500 mm² machen sich natürlich schon die geringsten Toleranzen in der Fertigung (entweder bei der Farbbeschichtung, bei der Größe der Fotodioden bzw. bei deren Anbringung auf dem Waver) bemerkbar. Jede Abweichung von den Normwerten wird als s.g. fixed-pattern-Rauschen bezeichnet und stellt eine besondere Eigenschaft ("Fingerabdruck") des jeweiligen Sensors dar.
Die Hersteller wirken dem mit einer kamerainternen Software entgegen, die dieses Rauschen direkt nach der Aufnahme korrigiert.
Bildrauschen durch Temperaturerhöhung
Eine Erhöhung der Temperatur im Chip, kann dazu führen, dass das Silizium in den einzelnen Fotodioden Teile ihrer elektrischen Belichtungsladungen verlieren. Unterschiedliche Belichtungsinformationen in benachbarten Fotozellen führen daher zu diesen Störungen, die als Quantisierungsrauschen bezeichnet werden und vor allem in dunklen Bildpartien sichtbar sind.
Je höher die Temperatur ansteigt, desto stärker tritt dieses Phänomen auf. Daher ist auch eine immer größer werdende Miniaturisierung der Fotodioden durchaus kritisch zu sehen, da wie bereits oben erwähnt, kleinere Fotozellen lichtunempfindlicher sind und die Signale entsprechend verstärkt werden müssen.