Sensorgeflüster: Eyeo will die Technologie der Bildwandler revolutionieren

Schon wieder ein Wundersensor … Das niederländisch-belgische Start-up Eyeo verspricht, einen Sensor mit mehr als dreifacher Lichtempfindlichkeit, höherer Auflösung und besserer Farbdifferenzierung zu bauen – im Vergleich zu aktuellen Sensoren mit Farbfiltern. Was ist dran?

Sensoren, die mit jedem Pixel alles darauf fallende Licht nutzen, sind ja so etwas wie der Heilige Gral der Sensortechnik. Stand der Technik sind Sensoren mit roten, grünen und blauen Farbfiltern, sei es im Bayer- oder X-Trans-Muster, die jedes Sensorpixel nur Licht in einem begrenzten Wellenlängenbereich sehen lassen. Um aus den Sensorsignalen Bildpixel mit allen drei RGB-Farben zu berechnen, muss man die Anteile der vom jeweiligen Sensorpixel nicht gesehenen Wellenlängen aus den Nachbarpixeln interpolieren. Dieses sogenannte Demosaicing reduziert die effektive Auflösung, und die lichtschluckenden Filter bewirken, dass ein großer Teil des Lichts – Eyeo spricht von 70 Prozent, was allerdings übertrieben ist – ungenutzt bleibt. Erfahrungsgemäß sind monochrome Sensoren rund doppelt so empfindlich wie Sensoren mit Farbfiltern, was zeigt, dass nur die Hälfte des Lichts von den Filtern absorbiert wird. Die Durchlassbereiche der Filter überlappen sich nämlich, wie es für eine feine Farbtondifferenzierung nötig ist, und insbesondere die nominell grünempfindlichen Pixel registrieren auch einen Teil des roten und blauen Lichts. Als Nebenwirkung verringert sich damit auch der Lichtverlust. Trotzdem: Auch Farbsensoren mit verdoppelter Empfindlichkeit wären hoch willkommen. Auch ein Verzicht auf ein Demosaicing wäre wünschenswert, denn damit würde nicht nur die Gefahr eines Farbmoiré gebannt, sondern auch die Auflösung verbessert: Monochrome Sensoren erzeugen Bilder, deren Detailauflösung der eines Farbsensors mit doppelter Pixelzahl entspricht, und Farbsensoren, deren Pixel alles Licht registrieren könnten dasselbe schaffen.

Schön wäre es also, wenn sich ein Farbsensor mit der Empfindlichkeit und Auflösung eines monochromen Sensors konstruieren ließe, und an einer solchen Technologie arbeitet das in Eindhoven beheimatete Start-up Eyeo seit 2018. Die Grundidee besteht darin, die Farbfilter, die jeweils große Teile des sichtbaren Lichts absorbieren, durch eine Art Prismen zu ersetzen, die die verschiedenen Wellenlängen auf unterschiedliche Sensorpixel lenken. So kann alles Licht genutzt werden, denn die Wellenlängen, die ein Pixel nicht sehen soll, werden stattdessen zu einem anderen Sensorpixel umgeleitet, das für diese Wellenlängen zuständig ist. Statt Glasprismen verwendet Eyeo etwas, das sie als Waveguides, also Wellenleiter bezeichnen. Ein Wellenleiter wäre beispielsweise ein Glasfaserkabel (für Lichtwellen) oder die Schnur eines Schnurtelefons (für Schallwellen), aber gemeint ist etwas anderes: Es handelt sich offenbar um nanotechnologisch hergestellte photonische Kristalle, die ähnlich wie Prismen die Wellenlängen des Lichts auffächern können. Solche Nanostrukturen lassen sich mit lithografischen Verfahren auf Siliziumchips aufbringen, wie sie als Basis von CMOS-Sensoren dienen.

Ganz neu ist ein solcher Ansatz nicht. Samsung setzt bei seinen ISOCELL-Sensoren bereits Nanoprismen ein, die einen Teil des farblich nicht passenden Lichts zu einem geeigneten Nachbarpixel umleiten, statt es zu absorbieren, und sie sollen die Empfindlichkeit um 25 Prozent verbessern. Eyeos Ansatz ist allerdings noch konsequenter und kommt ganz ohne Absorptionsfilter aus.

Die Idee ist, als Basis einen Sensorchip mit dualen Pixeln zu verwenden, wie ihn Canon für einen Phasendetektions-Autofokus nutzt: Für jedes quadratische Bildpixel gibt es zwei Sensorpixel, die jeweils eine Hälfte des Quadrats ausfüllen. Die Nanoprismen über den Pixeln fächern nun das Licht entweder zwischen Gelb und Blau oder zwischen Rot und Cyan auf, so dass abwechselnd ein duales Pixel Gelb und Blau unterscheidet und das nächste duale Pixel Rot und Cyan. In jedem Fall wird aber das gesamte Licht registriert, denn bei einem dualen Gelb-Blau-Pixel erreicht jedes Photon eines der beiden Teilpixel, abhängig davon, ob es eher gelb oder blau ist. Entsprechendes gilt für die dualen Rot-Cyan-Pixel. Zwei benachbarte duale Pixel (also insgesamt vier Teilpixel) reichen aus, um die Anteile von Gelb, Blau, Rot und Cyan zu ermitteln, ohne dass ein Photon durch ein Farbfilter herausgefiltert würde.

Was bringt das nun konkret? Wenn man monochrome Bilder erzeugen will, kann man dazu die beiden Teilpixel jedes dualen Pixels auslesen und die Werte addieren, um die Helligkeit dieses Pixels zu ermitteln. Die effektive Auflösung entspricht dann der Zahl der dualen Pixel, ist also deutlich höher als die eines herkömmlichen Farbsensors. Auch die erhöhte Empfindlichkeit entspräche der eines monochromen Sensors. Komplizierter wird die Betrachtung, wenn man Farbbilder erzeugen will. Für vollständige Farbinformationen muss man immer zwei benachbarte duale Pixel (oder vier Teilpixel) auswerten, was bedeutet, dass die Auflösung in den Farbkanälen geringer als die im Luminanzkanal ist. Aber auch damit wäre die Detailauflösung immer noch besser als die eines herkömmlichen Sensors, der für die Interpolation vollständiger Farbinformationen alle acht Nachbarpixel miteinander verrechnen muss.

Und dann gibt es noch zwei Probleme: Am Ende will man ja Farbdaten im RGB-Modell, aber der Sensor differenziert in zwei Dimensionen des Farbraums zwischen Gelb und Blau einerseits und Rot und Cyan andererseits – die Grundfarbe Grün fehlt und muss aus den übrigen Daten abgeleitet werden. Dazu muss man die Werte von Einzelpixeln subtrahieren, was man normalerweise zu vermeiden sucht – eine Subtraktion von Pixeldaten verstärkt das Rauschen. Schwierig dürfte es auch sein, Violett von Blau zu unterscheiden. Im RGB-Modell ist Violett eine Mischung aus Rot und Blau, aber die Wellenlängen von reinem Violett sind weit von den roten Wellenlängen entfernt und könnten nicht richtig erkannt werden, wenn man nur zwischen Rot und Cyan differenziert. Herkömmliche Sensoren lösen dieses Problem, indem die Rotfilter auch einen Teil des violetten Lichts vom anderen Ende des sichtbaren Spektrums durchlassen, was sich mit einer prismatischen Auffächerung der Wellenlängen schlecht nachbilden ließe.

Was können wir realistischerweise erwarten, wenn Eyeo die Entwicklung seines Sensors bis zur Marktreife gelingen sollte? Die Empfindlichkeit wird höher als die eines Sensors mit Farbfiltern sein, wenn auch nicht mehr als dreimal so hoch, wie es Eyeo suggeriert. Eine Verdoppelung wäre immerhin erreichbar, allerdings nur, wenn die Nanostrukturen vollkommen verlustfrei sind. Es ist aber nicht einmal sicher, ob die Pixel das gesamte einfallende Licht nutzen können, denn dem steht die relativ große Dicke des Sensorstapels entgegen. Schon seit Jahren streben die Sensorhersteller möglichst flache Pixel an, die Licht aus einem breiten Winkelbereich registrieren. Auf diese Weise können sie das gesamte Licht auch eines besonders lichtstarken Objektivs nutzen, dessen Strahlen in einem breiten Kegel auf die Pixel treffen. Hohe Pixelstrukturen wie in Eyeos Sensor bergen die Gefahr eines kleinen Gesichtsfelds – sie schauen gewissermaßen durch eine lange Röhre auf die Hinterlinse des Objektivs, und nur Licht, das sehr steil einfällt, findet einen Weg durch diese Röhre. Wie sich diese Pixelarchitektur in der Praxis bewährt, bleibt abzuwarten.

Und dann stellt sich noch die Frage, ob die Auflösung des Sensors einem konventionellen Gegenstück wirklich überlegen ist. Wenn man die dualen Pixel als ein Pixel zählt, trifft das zu, aber diese Pixel bestehen ja aus jeweils zwei Teilpixeln, also zwei Fotodioden und zwei Ladungsspeichern, und diese müssen separat ausgelesen und digitalisiert werden. Zählt man die Einzelpixel getrennt, verschwindet der Auflösungsvorteil vollständig. Auch Canons Dual-Pixel-Sensoren erzeugen nur eine Auflösung entsprechend der Zahl der dualen Pixel, wobei man dazu die doppelte Zahl von Einzelpixeln getrennt auslesen muss, nur behauptet Canon auch nichts anderes – und man hat den Vorteil, die Pixeldaten für einen Autofokus mit Phasendetektion nutzen zu können, was bei Eyos Sensor nicht möglich wäre.

Die von Eyo entwickelte Technologie ist interessant genug, um die Ergebnisse gespannt zu erwarten, aber wie man es von Wundersensoren schon gewohnt ist, werden die möglichen Vorteile sicher nicht so revolutionär ausfallen, wie es die Entwickler versprechen.