Was ist der Corona- / Black-Sun-Effekt?

Der Corona-Effekt, auch als Black-Sun-Effekt bezeichnet, ist ein Bildartefakt, das bei CMOS-Bildsensoren auftreten kann, wenn ein oder mehrere Pixel extrem stark überbelichtet bzw. gesättigt werden.

Unter normalen Bedingungen führt eine sehr helle Lichtquelle dazu, dass die betroffenen Pixel ihren maximalen Signalwert erreichen und weiß erscheinen. Beim Black-Sun-Effekt kann sich das Verhalten jedoch umkehren: Statt weiterhin weiß zu erscheinen, können die betroffenen Pixel dunkel oder sogar vollständig schwarz werden.

Der Effekt hängt hauptsächlich von der Pixelarchitektur und dem Ausleseverhalten des jeweiligen CMOS-Bildsensors ab.

Warum tritt der Black-Sun-Effekt auf?

Bei einer extrem starken Belichtung kann ein Pixel wesentlich mehr Elektronen aufnehmen, als es unter normalen Betriebsbedingungen vorgesehen ist.

Wenn der Pixel stark gesättigt wird, kann die überschüssige Ladung die Referenzspannung bzw. den Referenzpegel des Pixels und die nachfolgende Ausleseschaltung beeinflussen. Dadurch kann der gemessene Signalwert sinken, anstatt auf dem maximalen Sättigungswert zu bleiben.

Im Extremfall kann der Signalunterschied sehr klein werden oder nahezu verschwinden. Der betroffene Bereich erscheint dann schwarz, obwohl er einer extrem hellen Lichtquelle ausgesetzt ist.

Daher die Bezeichnung "Black Sun": Eine extrem helle Lichtquelle kann einen dunklen oder schwarzen Bereich im Bild erzeugen.

Wie sieht der Black-Sun-Effekt aus?

Der Effekt tritt typischerweise um eine extrem helle, stark konzentrierte Lichtquelle auf.

Anstatt einer normalerweise weiß gesättigten Fläche kann das Bild beispielsweise zeigen:

• einen dunklen Punkt im Zentrum der Lichtquelle

• einen dunklen oder schwarzen Bereich, der von einem hellen Halo umgeben ist

• eine ring- oder "Donut"-förmige Struktur um eine extrem helle Lichtquelle

• dunkle Bereiche, die bei zunehmender Belichtung der Lichtquelle stärker ausgeprägt werden

Das genaue Erscheinungsbild hängt von der Sensorarchitektur, den Belichtungseinstellungen und den Eigenschaften der Lichtquelle ab.

Wann kann der Black-Sun-Effekt auftreten?

Der Effekt erfordert eine sehr hohe Lichtintensität und tritt typischerweise auf, wenn einzelne Pixel weit über ihren normalen Sättigungsbereich hinaus belastet werden.

Mögliche Lichtquellen sind beispielsweise:

• direktes Sonnenlicht oder sehr helle Reflexionen

• Laser oder laserbasierte Beleuchtung

• Hochleistungs-LEDs

• Schweißlichtbögen

• andere extrem intensive und stark konzentrierte Lichtquellen

Der Effekt wird normalerweise nicht durch eine gewöhnliche Überbelichtung einer Szene verursacht. Ein normal überbelichtetes Pixel erreicht seinen maximalen Digitalwert und erscheint weiß. Der Black-Sun-Effekt tritt erst bei wesentlich extremeren Beleuchtungsbedingungen auf.

Ist der Black-Sun-Effekt ein Defekt der Kamera?

Nein. Der Black-Sun-Effekt ist grundsätzlich eine charakteristische Eigenschaft des Bildsensors bzw. seiner Pixelarchitektur und stellt normalerweise keinen Defekt der Kamera dar.

Die Anfälligkeit und das genaue Erscheinungsbild können sich zwischen verschiedenen Sensoren und Sensorgenerationen deutlich unterscheiden.

Kann der Black-Sun-Effekt verhindert werden?

Der effektivste Ansatz besteht darin, zu verhindern, dass einzelne Pixel einer extrem hohen Lichtintensität ausgesetzt werden.

Je nach Anwendung kann dies beispielsweise erreicht werden durch:

• Verkürzen der Belichtungszeit

• Reduzieren des Sensor-Gains

• Reduzieren der Beleuchtungsintensität

• Verwendung optischer Dämpfungsfilter oder geeigneter Filter

• Vermeidung einer direkten Abbildung extrem heller Lichtquellen

• Anpassung des optischen Aufbaus, um eine zu starke Konzentration des Lichts auf einzelne Pixel zu vermeiden

Bei Anwendungen mit sehr intensiven Lichtquellen sollte das Verhalten des Sensors unter extremer Überbelichtung bereits bei der Auswahl der Kamera und der Auslegung des Bildverarbeitungssystems berücksichtigt werden.

Verhindert ein hoher Dynamikbereich den Black-Sun-Effekt?

Nicht unbedingt.

Der Dynamikbereich beschreibt die Fähigkeit eines Sensors, einen großen Bereich von Signalpegeln - von dunklen bis zu hellen Bildbereichen - aufzunehmen. Der Black-Sun-Effekt hängt dagegen mit dem Verhalten eines Pixels zusammen, wenn es weit über seinen normalen Sättigungsbereich hinaus belichtet wird.

Ein Sensor kann daher einen hohen spezifizierten Dynamikbereich besitzen und unter ausreichend extremer Beleuchtung dennoch einen Black-Sun-Effekt zeigen.

Bei Anwendungen mit sehr hellen und stark konzentrierten Lichtquellen sollten deshalb neben Dynamikbereich und Full-Well-Kapazität auch die Eigenschaften des Sensors bei extremer Überbelichtung berücksichtigt werden.