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Sensorgeflüster: Neues vom Dreischichtsensor

Seit vielen Jahren wird an dreischichtigen Sensorkonzepten gearbeitet, die ähnlich wie ein Farbfilm aufgebaut sind und an jeder Stelle alle Farben eines Bildes registrieren können. Außer Foveon/Sigmas X3-Sensor und dessen Varianten hat keiner die Marktreife erreicht und auch dieser Dreischichtsensor ist nicht ohne Probleme. Ob ein neues Design auf Basis von Quantenpunkten etwas daran ändern kann?

Sensorgeflüster: Neues vom Dreischichtsensor
Mit drei Schichten auf unterschiedliche Wellenlängen angestimmter Quantenpunkte lässt sich die Farbe des Lichts erkennen.

Herkömmliche Sensoren registrieren, sofern sie Farben unterscheiden können, mit jedem Sensorpixel nur eine Grundfarbe, also typischerweise Rot, Grün und Blau. Daher fehlen an jeder Stelle zwei Drittel der Informationen eines vollständigen RGB-Pixels, die aus den Nachbarpixeln interpoliert werden müssen. Je nachdem, wie forsch der Interpolationsalgorithmus die Lücken zu füllen versucht, leidet darunter entweder die Schärfe, oder es werden farbige Artefakte wie Moiré erzeugt.

Die von Foveon entwickelten und in vielen Sigma-Kameras verbauten Sensoren nutzen stattdessen die Eigenheit von Siliziumchips, dass das Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich tief in den Chip eindringt, bevor es absorbiert wird. Mit drei Fotodioden in unterschiedlichen Tiefen des Siliziumkristalls lassen sich daher die Grundfarben unterscheiden – Blau wird schon nahe der Oberfläche, Rot dagegen erst in einer größeren Tiefe absorbiert. Die Aufteilung des Spektrums in drei überlappende Wellenlängenbereiche lässt sich auf diese Weise allerdings nicht so gut steuern, wie es bei konventionellen Sensoren mit Farbfiltern möglich ist. Die Berechnung der richtigen Farben aus den Rohdaten des Sensors ist daher eine Herausforderung, und bei dieser Berechnung entsteht ein zusätzliches Rauschen, das bei höheren ISO-Werten deutlich sichtbar wird.

Als Alternative hatten Fuji, Panasonic und das japanische Fernsehen (NHK) einen organischen Sensor ins Spiel gebracht. Die Idee war, einen Siliziumchip mit drei Schichten eines organischen Halbleitermaterials zu kombinieren, die für die drei Grundfarben empfindlich sind und die photoelektrische Konvertierung – also die Umwandlung von Licht in Elektrizität – übernehmen. Der Chip dient nur der Speicherung und dem Auslesen der gesammelten elektrischen Ladungen. Dieses Konzept wird aber anscheinend nur noch vom NHK verfolgt; Panasonic setzt inzwischen auf einen organischen Sensor mit nur einer, für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts empfindlichen organischen Halbleiterschicht – und klassischen Farbfiltern. Die Herstellung der Millionen von vertikalen Verbindungen zwischen den organischen Schichten und dem anorganischen Siliziumkristall scheint doch zu aufwendig zu sein.

Wissenschaftler der südkoreanischen Chung-Ang Universität verfolgen stattdessen ein drittes Konzept, das auf sogenannten Quantenpunkten basiert – nanotechnologisch hergestellten Halbleiterstrukturen, die sich auf bestimmte Wellenlängen abstimmen lassen. Quantenpunkte kannte man bisher vor allem von Fernsehbildschirmen, bei denen sie als Lichtquellen dienen – ihr Vorteil ist, dass sie keine Filter benötigen, um helles Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich zu erzeugen. Sie lassen sich aber auch in der umgekehrten Richtung nutzen, also zur Umwandlung von Licht in Elektrizität.

Der südkoreanische Quantenpunkt-Sensor hat noch eine sehr geringe Auflösung, die nur bei etwa einem Tausendstel des Standards gängiger Kamerasensoren liegt, aber das Hauptproblem dieses Dreischichtsensors liegt anderswo. Seine Quantenpunkte sind nicht für Rot, Grün und Blau, sondern in der ersten Schicht für Blau empfindlich, in der zweiten für Blau und Grün und in der dritten für alles sichtbare Licht. Die in den drei Schichten entstehenden Elektronen werden gemeinsam gesammelt, und ihre Zahl hängt von der Farbe ab, da blaues Licht in allen drei Schichten Elektronen erzeugt, rotes Licht aber nur in der untersten und grünes Licht immerhin noch in zwei Schichten. Bei diesem konstruktiv recht simplen Aufbau funktioniert die Ermittlung der Farbe aus der Ladungsmenge jedoch nur, wenn die Helligkeit bereits bekannt ist, denn die Zahl der Elektronen hängt ja auch von dieser ab.

Foveons Konstruktionsprinzip bleibt damit das einzige, das seine Markttauglichkeit unter Beweis stellen konnte. Sigma hat zwar bei der Weiterentwicklung der Sensoren zuletzt Rückschläge hinnehmen müssen; die schon vor Jahren angekündigte Kleinbildversion verzögert sich. Dennoch scheint diese Technologie noch die aussichtsreichste Alternative zum klassischen Sensor mit Farbfiltern zu sein. Und auch dessen Farbwiedergabe lässt sich noch verbessern – weniger durch eine andere Sensortechnologie als mit den Mitteln der künstlichen Intelligenz, der beim Interpolieren weniger Fehler als den üblichen Algorithmen unterlaufen.

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Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

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