Optische Systeme Bildsensor zählt einzelne Photonen innerhalb von Pikosekunden

Kameraaufnahmen bei extrem schwachen Licht sind nur dann möglich, wenn der Bildsensor jedes einzelne Photon berücksichtigt. Fraunhofer-Forscher haben die CMOS-Technik so weiterentwickelt, die genau solch einen Bildsensor ermöglicht.

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Steht extrem wenig Licht zur Verfügung, kommt es bei der Bildgebung auf jedes einzelne Photon an. Aktuelle Technologien stoßen hier oft an ihre Grenzen. Fraunhofer-Forscher haben eine Diode entwickelt, die Photonen schneller als bisher auslesen kann. Der Grund ist einfach: Schnelle und hochempfindliche optische Systeme gewinnen zunehmend an Bedeutung und werden für die unterschiedlichsten Anwendungen genutzt. Beispiele sind bildgebende Verfahren in Medizin und Biologie, in der Astronomie oder bei Sicherheitstechnik in der Automobilindustrie. Dabei müssen Bilder bei extrem wenig Licht in hoher Qualität aufgenommen werden.

Moderne Photodetektoren für die Bilderfassung stoßen hier meist an ihre Grenzen. Sie arbeiten häufig mit lichtempfindlichen elektronischen Bauteilen, die auf CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) oder CCD- (Charge-Coupled-Device-)Bildsensoren basieren. Allerdings garantieren weder aktuelle CMOS- noch CCD-Systeme gleichzeitig eine schnelle und hochempfindliche Bildaufnahme in hoher Qualität, wenn es darum geht, wenige Photonen auszulesen.

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg hat die CMOS-Technik weiterentwickelt und mit der Technologie, die auf Single-Photon Avalanche Photodioden (SPAD) basiert, einen hochempfindlichen Bildsensor vorgestellt. Die Pixelstruktur des Bildsensors kann einzelne Photonen innerhalb nur weniger Pikosekunden zählen und ist damit tausend Mal schneller als vergleichbare Modelle. Da jedes einzelne Photon berücksichtigt wird, sind Kameraaufnahmen bei extrem schwachen Lichtquellen möglich.

Wenn die Kamera direkt auf den Chip installiert ist

Um das zu erreichen, nutzt der Bildsensor den "internen Lawinendurchbruch-Effekt", einen photoelektrischen Verstärkereffekt. Die Anzahl der "Durchbrüche" entspricht dabei der Anzahl der Photonen, die das Pixel getroffen haben. Um diese Ereignisse zählen zu können, ist jedes Pixel des Sensors mit sehr genauen digitalen Zählern ausgerüstet.

Gleichzeitig haben die Wissenschaftler Mikrolinsen auf jeden Sensorchip aufgebracht, die die Einstrahlung in jedem Pixel auf die photoaktive Fläche fokussieren. Ein weiterer Vorteil: Eine Bearbeitung der digitalen Bildsignale ist bereits direkt auf dem Mikrochip möglich, zusätzliche analoge Signalverarbeitung damit nicht mehr notwendig.

Das IMS hat den Sensor im Europäischen Forschungsprojekt MiSPiA (Microelectronic Single-Photon 3D Imaging Arrays for low-light high-speed Safety and Security Applications) entwickelt. Insgesamt sind europaweit sieben Partner aus Forschung und Wirtschaft an dem Projekt beteiligt. Im nächsten Schritt arbeiten die Wissenschaftler aus Duisburg an einem Prozess zur Herstellung von Sensoren, die von der Rückseite beleuchtet werden und dadurch noch leistungsfähiger sind. Gleichzeitig wird die neue Technologie bereits bei Tests im Verkehr eingesetzt.

Die chipbasierten Minikameras schützen dabei unter anderem Fahrzeuge, Radfahrer und Fußgänger vor Kollisionen und Unfällen oder helfen bei der zuverlässigen Funktion von Sicherheitsgurten und Airbags.

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