Farbspaltung verdoppelt Lichtempfindlichkeit bei Digitalkameras

Osaka (Japan) – Die Lichtempfindlichkeit von Digitalkameras lässt sich mit einer neuartigen Farbaufspaltung mindestens verdoppeln. Dazu entwickelten Wissenschaftler ein optisches Modul, das bisherige Farbfilter vor den digitalen Bildchips ersetzen soll und dabei deutlich mehr Licht bis zum einzelnen Pixel leitet. In der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ präsentieren sie erste Prototypen für diese verbesserten Bildsensoren.

Zwei identische Aufnahme von Spielzeug und Blumen. Auf der rechten Aufnahme sind die Farben leuchtender als auf der linken.
Verbesserte Aufnahme mit optischer Farbspaltung

„Lichtbrechung im Nahfeldbereich ist viel effizienter und nutzvoller als bisher erwartet wurde“, sagt Seiji Nishiwaki vom Device Solution Center des Elektronikkonzerns Panasonic in Osaka. Dieses Prinzip nutzte er zusammen mit seinen Kollegen für die deutliche Steigerung der Lichtempfindlichkeit digitaler Bildchips. Das von einem Motiv einfallende Licht traf dabei auf ein winziges optisches Modul aus den transparenten Materialien Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Die einzelnen Farbanteile – rot, blau und grün – wurden in diesem Modul ähnlich wie in einem Prisma voneinander getrennt und gelangten dann auf die Pixel eines lichtempfindlichen Bildchips. Erste Messungen zeigten, dass sich so selbst bei schlechter Ausleuchtung viel hellere Fotos schießen ließen als mit herkömmlichen Digitalkameras.

Diese Technologie hat laut Nishiwaki das Potenzial, die Lichtempfindlichkeit von Digitalkameras sogar zu verdreifachen. Dazu müssen vor jedem Pixel die farbspaltenden Module optimal positioniert werden. Technisch ist dieser Prozess mit verfügbaren Produktionsverfahren schon heute umsetzbar. Und mit mehr als 20 Patenten hat sich Panasonic die Rechte für diese viel versprechende Technologie bereits gesichert. Die Bedeutung dieser Farbspaltungs-Module wird mit dem Trend zu weiter schrumpfenden Bildpixeln zunehmen, da bei über 20 Millionen Bildpunkten pro Sensorchip ein immer kleinerer Lichtanteil auf jeden einzelnen Bildpunkt entfällt. Parallel steigt bei kleineren Pixeln der Anteil an störenden Einflüssen, verursacht durch das sogenannte Photonenrauschen, an. Auch gegen dieses Problem hilft die Erhöhung der detektierbaren Lichtintensität mit den neuen optischen Modulen. Wann eine erste Digitalkamera mit Farbspaltern statt Farbfiltern auf den Markt kommen wird, konnten die Entwickler aber noch nicht sagen.

Heute befinden sich vor den Pixeln der meisten Bildchips winzige Farbfilter, die sogenannten Bayer-Arrays. Diese lassen jeweils nur rotes, grünes oder blaues Licht hindurch und verschlucken die anderesfarbigen Anteile. Bei dieser Filterung geht bis zu 70 Prozent der Intensität des einfallenden Lichts verloren. In den neuen farbspaltenen Module dagegen bleibt die Lichtintensität zu fast 100 Prozent erhalten.