Rauschen von LEDs, woher kommt es?

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Hallo,
ich habe ein Keithley Sourcemeter und einen Koheron LED Treiber ( DRV100-A-40) mit denen habe ich nacheinander fünf LEDs von unterschiedlichen Herstellern an einer 16bit Kamera vermessen. Dabei habe ich eine ROI von 100x100 pixel gesetzt. Wenn die blende auf der Kamera ist habe ich ein Rauschen von 1 Digit.
Die Belichtungszeit ist 70.000µs, das signal liegt bei etwa 40.000 digits und ich bekomme immer eine Standardabweichung von 5 digits.
Woher kommt das? ist das ein Rauschen des Bandübergangs?

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Willkommen im Physikerboard!

Das ist das Kamerarauschen. Die Varianz ist proportional zum Helligkeitswert.

Übrigens sagt der Kehrwert der Steigung (hier also 40000/25=1600) aus, wieviel Photonen auf einen Pixel fallen müssen, damit sein Wert ein Digit hochgeht.

Viele Grüße
Steffen

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Hey Steffen,
danke für die schnelle Antwort :-)
D.h. das Rauschen der Kamera steigt mit dem Helligkeitswert?
Das hier ist übrigens die Kamera (https://www.pco.de/fileadmin/user_upload/pco-product_sheets/pco.edge_42_data_sheet.pdf) USB Version. Ich bin leider kein Kameraexperte :-( darum dachte ich das ist fix, weil in dem Datenblatt ist ja auch ein fester Wert angegenen.

"
Übrigens sagt der Kehrwert der Steigung (hier also 40000/25=1600) aus, wieviel Photonen auf einen Pixel fallen müssen, damit sein Wert ein Digit hochgeht."
Das habe ich noch nicht verstanden. Wo ist da eine Steigung?

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Danke für die Erklärung.

Also wie gesagt, ich betrachte ja nicht ein Pixel sondern 100x100 Pixel.
Wenn der ganze Versuchsaufbau ne zeit lang gelaufen ist zeichne ich über 100 Sekunden den Helligkeitswert auf und Berechne von der gesamten ROI die Standardabweichung. Also Standardabweichung über die Zeit, nicht innerhalb der ROI.

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

jetzt muss ich doch nochmal nachfragen weil ich mit den Begriffen nicht ganz zurecht komme. Bei Stemmer Imaging habe ich eine Auflistung der Rauschquellen gefunden: https://www.stemmer-imaging.com/de-de/grundlagen/sensor-rauschen/

Photon Noise (Photonenrauschen), warum ist das von der Helligkeit abhängig?
Ist das ein Faktor der von der Kamera abhängt oder von der Lichtquelle?
Hier meine naive Kameraneulingsvorstellung:
Ich habe eine Lichtquelle die immer gleich viel Photonen emittiert, alle mit der gleichen Energie und in die gleiche Richtung und mit der gleichen räumlichen Verteilung. Diese Photonen treffen auf die Kamera und dort werden sie in Elektronen umgewandelt. Die Umwandlung geschieht mit eine bestimmten Effizienz, der Quanteneffizienz der Kamera. Die ist für eine Wellenlänge immer gleich und ändert sich nicht. In so einem Fall wäre das Photonenrauschen Null. Richtig? Wenn nicht, warum?

Dark Current (Dunkelstrom), der sollte, wenn die Belichtungszeit konstant bleibt auch immer konstant bleiben (Kamera ist auf 0°C temperiert).

Readout Noise (Ausleserauschen), meine einfachen Elektronik Kenntnisse würden sagen, der bleibt immer gleich wenn die Temperatur gleich bleibt.

Quantisation Noise (Quantisierungsrauschen), das dürfte immer konstant sein.

Spatial Noise (örtliches Rauschen), das betrifft nur die räumliche Verteilung, ist also kein zeitliches Rauschen.

Fixed Pattern Noise FPN das betrifft nur die räumliche Verteilung, ist also kein zeitliches Rauschen.

Pixel Response Non Uniformity PRNU, das betrifft nur die räumliche Verteilung, ist also kein zeitliches Rauschen.

Also so recht bekomme ich das noch nicht in meinen Kopf warum die Kamera ein höheres Rauschen hat wenn mehr Licht auf den Sensor kommt.

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Auf der Stemmer-Seite wird erwähnt, dass das einfallende Licht nicht gleichmäßig, sondern poissonverteilt ist. Bei dieser Verteilung ist die Varianz proportional zum Erwartungswert. Somit hängt das Rauschen von der Helligkeit ab.

In der Tat geht es hier aber um die Lichtverteilung auf dem Sensor. Selbst wenn alle Pixel exakt dieselbe Empfindlichkeit und keinerlei Dunkeloffset hätten, werden dennoch verschiedene Werte ausgegeben. Das ergibt dann die besagte helligkeitsabhängige Standardabweichung innerhalb einer aufgenommenen ROI.

Du scheinst allerdings davon gar nicht zu reden, sondern nimmst einen ROI-Mittelwert nach dem anderen auf und berechnest dann die Standardabweichung dieser Einzelwerte, oder?

Die dürfte dann eher im genannten Bereich liegen. Verantwortlich ist hier zum einen das Verstärkerrauschen, denn durch ein Photon, das ja ein Elektron erzeugt, wird nicht immer exakt über die Ladung-Spannung-Wandlung dieselbe Spannung entstehen. Zum andern wird bei der Analog-Digital-Wandlung auch nicht immer dieselbe Spannung denselben Zahlenwert erzeugen.

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

"Du scheinst allerdings davon gar nicht zu reden, sondern nimmst einen ROI-Mittelwert nach dem anderen auf und berechnest dann die Standardabweichung dieser Einzelwerte, oder? "
Exakt. Da habe ich mich wohl falsch ausgedrückt, sorry. Hammer

Ich betrachte den zeitlichen Verlauf des Mittelwert der ROI.

"das ja ein Elektron erzeugt, wird nicht immer exakt über die Ladung-Spannung-Wandlung dieselbe Spannung entstehen"
&
"Zum andern wird bei der Analog-Digital-Wandlung auch nicht immer dieselbe Spannung denselben Zahlenwert erzeugen."

das müssten statistische Verteilungen sein, oder?
D.h. ob ich da jetzt 100 oder 10.000 habe dürfte egal sein, es müsste immer gleich um den Mittelwert schwanken, oder?

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

So ist es. Und es dürfte normalverteilt sein.

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Ok

Dann habe ich immer noch nicht verstanden warum die Standardabweichung des Mittelwerts der ROI im zeitlichen Verlauf ansteigt.

Wenn es dunkel ist hat die ROI einen Mittelwert von 100 und eine Standardabweichung von 1

Wenn es hell ist hat die ROI einen Mittelwert von 40.000 und eine Standardabweichung von 5

Ich check nicht was da in der Kamera passiert.

Oder muss das doch aus der Lichtquelle kommen? grübelnd

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Der relative Fehler (nichts anderes ist das hier) ist bei einer Hellmessung zwar nicht derselbe wie bei einer Dunkelmessung. Aber selbst wenn er gleichbliebe, wäre die Standardabweichung höher.

Ohnehin ist es fragwürdig, so etwas mit einer Kamera (am Ende noch mit einem Objektiv?) zu machen. Der übliche Weg ist, die LED an eine Ulbrichtkugel zu montieren und mit einer Fotodiode an einer Öffnung, die nicht gegenüberliegt, das Licht zu messen. Das sollte weitaus weniger Schwankungen ergeben und berücksichtigt auch das gesamte Licht der LED, nicht nur in einer Richtung.

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Ei jei jei LOL Hammer

natürlich, der Bereich in dem die Werte streuen skaliert mit hoch, er bleibt also relativ gleich und ich habe aber den Absolutwert betrachtet und der ist natürlich größer geworden...

Was ich aber interessant finden ist:
"Der übliche Weg ist, die LED an eine Ulbrichtkugel zu montieren und mit einer Fotodiode an einer Öffnung, die nicht gegenüberliegt, das Licht zu messen. Das sollte weitaus weniger Schwankungen ergeben und berücksichtigt auch das gesamte Licht der LED, nicht nur in einer Richtung."
Mit dem Objektiv bekomme ich eine zusätzlich Schwankung weil die LED zwar immer gleich viele Photonen emittiert, diese sich aber nicht immer in die gleiche Richtung bewegen.
D.h. eine LED mit 130° Abstrahlwinkel sollte bei dem Aufbau mit Objektiv ein höheres Rauschen haben als eine LED mit 10° Abstrahlwinkel. Wenn ich dann an dem selben Treiber eine SLED oder eine Laserdiode mit Faser betreibe, dann sollte das Rauschen noch niedriger sein, richtig?

Hat das Objektiv noch einen anderen Einfluss oder nur wegen der Richtung?

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Ja, das Objektiv hat einerseits die von Dir angeführten Nachteile. Andererseits sieht es auch jeden Kratzer auf der LED, der dann viel stärker in die Messwerte einfließt als bei der integrierenden Kugel. Weiterhin werden die fünf LEDs viel stärker streuen, weil hier das Ergebnis deutlich empfindlicher auf Positionierungsänderungen reagiert.

Christian M · Anmeldungsdatum: 30.04.2021 Beiträge: 8

Super! Danke für die Hilfe!

Jetzt werde ich messen um zu sehen was jetzt wie viel zu dem Rauschen das ich sehe beiträgt. Rock