Sensors getting worse, pictures getting better – Die Sensoren werden schlechter, die Bilder werden besser

Prof. Albert Theuwissen, Universität Delft:

Der nächste Referent, Prof. Albert Theuwissen, Universität Delft und Harvest Imaging, fokussierte sich auf physikalisch grundsätzliche Aspekte von Sensoren und ihre Folgen für die immer kleiner werdenden Sensorpixel. Lange Zeit war der Trend zu immer mehr Megapixel ein Hauptindikator für den technischen Fortschritt. Diese einfach zu verstehende Zahl – je mehr, desto besser – war vor allem aus Marketinggesichtspunkten verführerisch. Aber auch die Herstellungskosten sinken, wenn ein neuer Chip bei kleinere Sensorpixel verwendet. Laut Theuwissen steigen die Herstellkosten mit dem Quadrat des Pixeldurchmessers; anders herum betrachtet führt die Halbierung des Pixeldurchmessers also dazu, dass ein neuer Chip nur noch ein Viertel so teuer ist. Die Hersteller haben also gute Gründe, kompakte Chips mit kleiner werdenden Pixeln zu entwickeln.

Andererseits hat die Verringerung der Pixelgröße infolge der physikalischen Gegebenheiten abbildnerische Nachteile. Das Rauschen wird stärker und der Dynamikumfang nimmt ab. Beides verschlechtert sich quadratisch mit der Pixelgröße. Wird der Pixeldurchmesser halbiert, sinkt der Dynamikumfang auf ein Viertel des vorherigen Wertes.

Zwar hat das Rauschen von Bildsensoren mehrere Ursachen, die jedoch nicht alle technologisch gelöst werden können. Selbst wenn ein Sensor entwickelt werden könnte, der kein Rauschen aufgrund von technologischen Eigenarten, etwa des verwendeten Materials, hätte, führt die Quantennatur des Lichts zu einem unvermeidlichen physikalischen Grundrauschen. Dieses „photon shot noise (PSN)“ ist im Grunde genommen einfach zu verstehen. Licht besteht aus Teilchen, sogenannten Photonen, die mit den Materialien im Sensor wechselwirken und Elektronen im Material freisetzten. Deren Ladung wird gemessen und resultiert letztendlich in dem Pixelwert. Je mehr Photonen während der Belichtung registriert werden, desto größer ist die freigesetzte Ladung und je heller resultiert das entsprechende Bildpixel.

Die Energie eines Photons hängt nur von seiner Frequenz ab, aber sie ist unabhängig von der Gesamthelligkeit einer Szenerie. Die Helligkeit (Lichtintensität) eines Körpers ist hoch, wenn er viele Photonen ausstrahlt. Ist nun die Lichtintensität niedrig und/oder ein Sensorpixel besonders klein, so ist die Schwankung des Sensorsignals infolge der statistischen Natur des Lichts sichtbar. Mal werden pro Belichtungszeit mehr, mal weniger Elektronen freigesetzt, d.h. benachbarte Pixel „sehen“ trotz identischer Lichtintensität unterschiedliche Helligkeiten: Das Bild ist verrauscht. Dies ist auch der Grund, warum kleine Sensoren mit kleinen Pixeln nur bei geringen Empfindlichkeiten brauchbare Ergebnisse liefern: Sie müssen das Licht länger sammeln, um genug Elektronen frei zu setzen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Beugung infolge der Blendenöffnung zu Auflösungslimitierungen führt, die bei kleinen Sensorpixeln die Verwendung kleiner Blenden (große Blendenzahl f) ausschließt.

Eine Möglichkeit, in Abhängigkeit der Lichtverhältnisse einen Sensor besser auszunutzen besteht in dem sogenannten „Binning“. Um die effektive Fläche eines Pixels zu vergrößern, werden mehrere Pixel zusammengeschaltet. Das Rauschverhalten verbessert sich, allerdings nimmt die Anzahl der Pixel pro Photo ab.

Theuwiessen resümierte, die Sensoren ließen sich weiterhin verbessern. Beispielsweise ließe sich die Sensitivitäten von CMOS-Chips durch Back-Side-Illumination (Rückseiten-Beleuchtung) verbessern. Die quantenmechanischen Eigenschaften von Photonen ließen sich hingegen leider nicht ändern.

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