Digitalkamera-Chip liefert 10.000 Bilder pro Sekunde
US-Forscher haben einen Bildaufnahmechip entwickelt, der 10.000 fps liefern und eine Milliarde Pixel pro Sekunde verarbeiten kann.
Forscher der kalifornischen Stanford-University haben einen Bildaufnahmechip entwickelt, der 10.000 Frames pro Sekunde liefern und eine Milliarde Pixel pro Sekunde verarbeiten kann. Das Geheimnis dieser Technik liegt in einer hohen Prozessintegration und in der Verwendung von CMOS-Technologie.
Bisherige Bildaufnahmesysteme auf CCD-Basis kranken in Sachen Aufzeichnungsgeschwindigkeit an zwei prinzipbedingten Problemen: Einerseits am destruktiven Auswertungsverfahren der Bilddaten, das die auf dem CCD enthaltenen Ladungen beim Auslesen zerstört, andererseits an der Unmöglichkeit, die zur Auswertung der Sensor-Potenziale nötige Elektronik mit auf dem Chip unterzubringen. Die Folge sind vergleichsweise langsame Bildwandlungen und die Unmöglichkeit, kontinuierliche Bildmessungen durchzuführen.
Die Stanford-Forscher haben nun einen Bildaufnahmechip auf CMOS-Basis entwickelt, der diese Einschränkungen nicht besitzt. Für jedes Pixel hält der in 0,18-µm-Technik hergestellte Baustein einen eigenen Analog-Digital-Wandler nebst Digitalspeicher bereit. Der enorme Zuwachs an Geschwindigkeit ergibt sich durch die parallele Verarbeitung der Bilddaten und durch den digitalen Speicher, der viel schneller ausgelesen werden kann als der Analogspeicher von CCD-Chips. Die parallele Datenverarbeitung ermöglicht daher einen Pipeline-Betrieb: Während das erste Bild verarbeitet wird, kann bereits das nächste aufgezeichnet werden.
Da das Auslesen von CMOS-Potenzialen non-destruktiv erfolgt, werden schnelle kontinuierliche Messungen ohne Datenverlust möglich – nach Meinung der kalifornischen Forscher der eigentliche Durchbruch bei ihrer Neuentwicklung. Auf diese Weise verringern sich auch die Schwierigkeiten von digitalen Bilderfassungssystemen beim Tonwertumfang: Extreme Helligkeitsunterschiede im aufgenommenen Foto stellen heutige CCD-Bildaufnehmer vor Probleme bei der korrekten Belichtung. Der Stanford-CMOS-Chip hingegen ist in der Lage, Vielfachmessungen durchzuführen und daraus den korrekten Helligkeitswert jedes einzelnen Bildpunktes in Echtzeit zu interpolieren.
Außerdem eröffnen sich durch die hohe Geschwindigkeit der Bildaufzeichnung neue Anwendungsgebiete für die digitale Bildverarbeitung. So ist der Bildaufnehmer der Stanforder Forscher etwa in der Lage, einen 2200-mal pro Minute drehenden Flugzeug-Propeller scharf und ohne Wisch-Effekte abzubilden – bisher eine Domäne "schnellen" analogen Filmmaterials. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher in der Bewegungserfassung, bei der Mustererkennung, bei chemischen Reaktionen, Belichtungssteuerung und Analyse dreidimensionaler Strukturen.
Ein erster Prototyp einer Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera wurde bereits von der NASA in einer Mars-Sonde getestet, inzwischen haben die Stanforder die dritte Generation ihres Bildaufnehmers fertiggestellt. Die Zukunft sehen sie rosig: Künftig könnten die hochintegrierten "Cameras-on-a-chip" überall verbaut werden – in Uhren, Mobiltelefonen, PDAs und wo immer es sinnvoll erscheint. (klp)
