Neuer Bildsensor bricht Rekorde
Ein frisch entwickelter CCD-Kamerachip kann über 100 Millionen Pixel pro Bild erfassen. Das ist mehr als das Zehnfache aktueller Megapixel-Kameras. Billig ist er allerdings nicht.
- Kate Greene
Der kalifornische Spezialhersteller Semiconductor Technology Associates (STA) hat einen neuen digitalen Kamerachip entwickelt, dessen Auflösung alle bislang erhältlichen Imaging-Komponenten übertrumpft. Der auf der bekannten CCD-Technik ("charge-coupled device") basierende Bildsensor nimmt Fotos mit mehr als 111 Millionen Pixeln (Megapixeln) auf.
Zum Vergleich: Die teuersten Kameras für Prosumer schaffen gerade einmal 12 bis 16 Megapixel, normal sind zwischen 4 und 8. PC-Displays müssen hingegen zumeist mit gerade einmal einer Million Bildpunkten Vorlieb nehmen.
Der neue STA-Chip soll sein erstes Anwendungsfeld in Spezialkameras finden, die in Teleskopen stecken - dafür wurde er auch entwickelt. Hier soll er neue Sternenkarten und sich bewegende Himmelskörper im Sonnensystem erfassen, wie STA-Präsident Richard Bredthauer erklärt. Doch der Super-Bildsensor eignet sich auch noch für ganz andere Bereiche - man denke nur an militärische Anwendungen, Nutzungsmöglichkeiten in der Biologie oder der zivilen Kartografie, wo es immer Bedarf an hochauflösenden Luftaufnahmen gibt. Die 111 Megapixel kosten allerdings Platz: Satte vier Quadratzoll nimmt der STA-Chip ein.
Bislang entstehen digitale Aufnahmen mit hoher Auflösung entweder durch eine ganze Batterie kleinerer CCDs, die miteinander verbunden sind, oder mit Hilfe des so genannten "Stitching", bei dem Hunderte Einzelaufnahmen zusammengesetzt werden. Bei CCD-Batterien kann die Qualität allerdings schwanken, weil jeder Sensor sich qualitativ möglicherweise ganz leicht von den anderen unterscheidet. Gleichzeitig ist ihr Aufbau zumeist teuer und kompliziert.
Auch das Stitching hat Nachteile: So können sich die Lichtverhältnisse geändert haben, weil es seine Zeit dauert, bis alle Einzelaufnahmen eines großen Panoramas beisammen sind. Der STA-Chip mit seinen über 100 Megapixeln hat diese Nachteile nicht und könnte auf längere Sicht auch in der Herstellung billiger sein als ganze CCD-Batterien. Davon ist zumindest CCD-Experte Robert Groulx überzeugt, dessen Fertigungsfirma Dalsa Semiconductor den Chip für STA produziert.
Technisch gesehen ist der hochauflösende Bildsensor vor allem deshalb möglich, weil die CCD-Technik sich ähnlich weiterentwickelt hat wie die Prozessorherstellung, bei der Jahr für Jahr immer mehr Transistoren auf die gleiche Fläche passen. Ein CCD-Element wird ähnlich wie ein Chip hergestellt - mittels Photolithographie aus Silizium, Siliziumdioxid und Aluminium. Einziger Unterschied sind die tatsächlichen Schaltkreise, die auf dem Chip sitzen. "Die CCD-Technik folgt der Halbleiter-Industrie", sagt Bredthauer.
Zu den Hauptgründen dieses Fortschrittes zählen eine verbesserte Qualität des Ausgangsmaterials und die Reinheitsbedingungen innerhalb des Fabrikationsprozesses. Sind die Reinräume nicht sauber genug, könnten Staub und andere Verunreinigungen die chemischen Schichten, aus denen das CCD-Element besteht, in ihrer Qualität einschränken.
"Das führt nicht nur zu defekten Pixeln, die entweder ständig Schwarz oder ständig Weiß bleiben, sondern kann auch zu mikroskopischen Kurzschlüssen in den Leiterbahnen führen, die das ganze Element oder zumindest Teile davon unbrauchbar machen", erklärt der Experte für bildgebende Verfahren Barry Burke vom Lincoln Laboratory des MIT. Um ein perfektes CCD-Element zu schaffen, muss man schon deutliche Anstrengungen unternehmen - so helfen etwa verbesserte Luftfilter in den Reinräumen, größere, fehlerfreie Chips herzustellen.
STA musste sich außerdem das Chipdesign genau überlegen. Die einzelnen Pixel des Bildsensors nehmen die Photonen des Lichts auf und wandeln sie sofort in eine elektrische Ladung um, die proportional zur Lichtintensität ist. Damit sich aus dieser Ladung überhaupt ein Bild ergibt, wird sie durch die Schaltkreise des Chips an seiner Peripherie geleitet, wo das Signal verstärkt und in Voltbereiche konvertiert wird, die dann zur tatsächlichen Speicherung genutzt werden.
Große CCD-Chips leiden allerdings an "Datenstaus": Die elektrische Ladung gelangt nicht schnell und effizient genug an die Ausgabeelektronik. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Bredthauer Output-Ports, die die Ladung gleichzeitig aus verschiedenen Bereichen des Chips herausziehen, so dass sie staufrei fließt und in ein fertiges Bild umgesetzt werden kann.
Billig ist ein Riesen-CCD-Bildsensor bislang allerdings keineswegs: Derlei Präzisionstechnik lassen sich STA und andere mit Preisen von 80.000 bis 100.000 Dollar bezahlen - pro Stück wohl gemerkt. Die Elemente werden für jede Anwendung speziell entwickelt, die Kundschaft sitzt meist in der Astronomie. Es dürfte also noch eine ganze Weile dauern, bis man eine solche Technik in Produkten für Endkunden findet.
Zehn und mehr Megapixel sind dort derzeit aber sowieso noch mehr als ausreichend. "Aus Kundensicht gibt es heute fast mehr Pixel, als überhaupt gebraucht werden - man will sich die Bilder ja eigentlich nur ansehen und sie bequem anderen zuschicken können", meint Michael Cohen, ein Forscher bei Microsoft Research, der im Bereich Bildmedien und Computergrafik arbeitet.
Und dennoch: Erste Fotoprofis haben sich bei STA-Präsident Bredthauer bereits gemeldet. Die Idee, qualitativ hochwertigste Bilder produzieren zu können, bei denen man auch bei metergroßen Ausdrucken noch keinerlei Unschärfen sieht, ist faszinierend. Seit die Kunde vom neuen 111 Megapixel-Chip durch das Internet geistert, wünschen sich ambitionierte Anwender, dass die Technik irgendwann auch in neue Kameras eingebaut werden könnte. "Das wäre dann echte High-End-Fotografie", meint Bredthauer.
Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)
