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Ratgeber

Fuji Dreifarbsensor

Fujifilm entwickelt einen innovativen Sensor­typ ähnlich dem Foveon-Sensor. Die Fuji­lösung erfasst zu jedem Bildpunkt drei und nicht nur eine Farb­information wie konventionelle CCDs oder CMOS.

Die CCD- und CMOS-Sensoren, die in den aktuellen Digitalkameras stecken, arbeiten alle mit einem Mosaikfilter. Das bedeutet, dass jedes lichtempfind­liche Segment (Photodiode, Pixel) nur jeweils eine Farbe aufnimmt und die anderen beiden Farben über die umliegenden Pixel berechnet werden. Das führt bei feinen Strukturen oder an Kanten zu Fehlern (Artefakten) im Bild. Um dieses Problem zu lösen, hat die Firma Foveon vor einigen Jahren einen Sensor entwickelt, der aus drei Lagen besteht, die rotes, grünes und blaues Licht getrennt für jedes Pixel erfassen. Bei diesem Sensor hat man sich das physi­kalische Prinzip der unterschiedlichen Eindringtiefe für die verschiedenen Lichtwellenlängen (Farben) zu Nutze gemacht. Ein Problem dabei ist, dass die Eindringtiefe ein statistischer Vorgang ist, und so die Trennung zwischen den einzelnen Farben nicht so gut gelingt, wie es wünschenswert wäre. Hinzu kommt, dass der Sensor sich von der Geometrie nicht wesentlich von den typischen Sensoren unterscheidet. Aus diesem Grunde arbeitet Fujifilm an einem neuen Sensor, zu dem es offiziell noch keine Informationen gibt. Wir haben aber bei unseren Recherchen eine Patentanmeldung entdeckt, die Aufschluss über die Entwicklungen gibt. Unter dem US-Patent mit der Nummer 20050205958 hat Fujifilm einen „Multilayer deposition multipixel image pickup device and television camera" (mehrschichtigen, mehrpixligen Bildaufnahmesensor und TV-Kamera) angemeldet. Im Rahmen dieser Anmeldung zählt der Hersteller die üblichen Schwachstellen konventioneller Sensoren auf.

Dazu ge­hören:- Farb-Artefakte durch Mosaiksensoren (siehe oben)- geringe Empfindlichkeit durch geringen Füllfaktor (die lichtempfindliche Fläche ist im Verhältnis zur gesamten Sensoroberfläche recht klein)- Abschattungen (Shading), da die Mikrolinsen am Sensorrand zu schräg einfallendes Licht neben die Pixel bündeln. Hinzu kommt eine weitere Abschattung durch die vertiefte Anordnung des lichtempfindlichen Bereiches.

Diesen Problemen möchte Fujifilm mit einer vollkommen neuen Sensorgeometrie begegnen. Hierbei liegen drei lichtempfindliche Schichten wie beim konventionellen Film übereinander. Die Trennung der Farben erfolgt nicht wie beim Foveon-Sensor über die Eindringtiefe des Lichtes, sondern über lichtempfindliche Schichten, in denen durch geschickte Wahl der Materialien jeweils nur eine Farbe in ein elektrisches Signal überführt wird. Jede dieser lichtempfindlichen Schichten bildet zusammen mit den durchsichtigen, darüber und darunter angebrachten Elektroden eine Mini-Fotodiode. Die elektrischen Ladungen dieser übereinander liegenden Fotodioden werden an­schlie­ßend über ein darunter liegendes CCD (Charge Coupled Device) oder CMOS ausgelesen und verarbeitet, wobei sich aufgrund der größeren Flexibilität im Auslesen und in der Signalverarbeitung ein CMOS eher anbietet, als ein CCD. Unter jedem Pixel befinden sich hierzu drei Auslesebereiche, die jeweils für eine Farbe zuständig sind. So werden mit einem Auslesevorgang alle Informationen ausgelesen. Es werden also der Bildaufnahmebereich und der Ladungstransport – abgesehen von den drei Elektroden – komplett über die Schichten voneinander getrennt. Dabei bleibt die Interline-Struktur er­halten, wodurch der Sensor ohne mechanischen Verschluss auskommt. Gleichzeitig wird aber nahezu die komplette Oberfläche als Lichtempfangsschicht genutzt, was dazu führt, dass der Sensor lichtempfindlicher wird, keine Mikrolinsen mehr benötigt und zusammen mit dem Wegfallen der Tal-Lage (vertiefte Lage zwischen den Leiterbahnen) für die lichtempfindlichen Schichten so gut wie kein sensorbedingtes Shading (Abschattung) mehr auftritt. 

Ob die Erfindung von Fujifilm zu einem realen Sensor führt und damit eventuell ein Erfolg wird, hängt vermutlich von drei Faktoren ab: Erstens: Wie gut gelingt die Sen­sibilisierung und die Transparenz für die einzelnen Farben? Zweitens: Wie hoch ist der Wirkungsgrad bei der Wandlung von Licht in elektrische Ladungen?Drittens: Werden hinreichende Kapazitäten erreicht und gelingt ein guter Ladungstransport in der unteren Schicht?

Wir sind gespannt, was Fujifilm in der Zukunft zeigen wird. Bis dahin werden aber vermutlich noch ein bis zwei Jahre vergehen.

Prinzip Fujifilm Figur 4

Prinzip Fujifilm Figur 5

Das Funktionsprinzip einer lichtempfindlichen Schicht wird in Figur 6 beschrieben. Der Lichteinfall lässt Elektronen und Löcher entstehen. Es fließt ein Strom.