Imaging Bildsensoren für den Weltraum - führend oder folgend?

Piet De Moor, Imec: »CCD und CMOS haben auf allen Evolutionsstufen der Bildwandler-Bausteine komplementäre Rollen gespielt.«
Piet De Moor, Imec: »CCD und CMOS haben auf allen Evolutionsstufen der Bildwandler-Bausteine komplementäre Rollen gespielt.«

Sowohl die Raumfahrt als auch alltägliche Anwendungen der digitalen Bildverarbeitung treiben die Entwicklung der Bildsensortechnik voran. Welche Technik ist derzeit führend, und welche hat die besten Zukunftsaussichten? Piet De Moor von Imec hat eine Antwort und entwickelt hier seine Vision.

Koinzidenz oder Zufall – für mich ist 1969 ein entscheidendes Datum in der Bildverarbeitungstechnik. Am 20. Juli betraten Neil Armstrong und seine Gefährten als erste Menschen die Oberfläche des Mondes. Mit ihren unscharfen Schwarzweiß-Bildern und auf Magnetband aufgezeichneten Videos versetzten sie die Welt in Staunen.

Im gleichen Augenblick entstanden hier unten auf der Erde weithin unbeobachtet in den F&E-Labors die ersten CCD-Bausteine (charge coupled devices). Ursprünglich als Speicherelemente konzipiert, bewährten sie sich schnell als die ersten CCD-Bildsensoren auf Silizium-Basis. Der Rest ist Geschichte: Willard Boyle und George Smith bekamen 2009 den Nobelpreis für Physik – wenn auch ihr Kollege Michael Tompsett zu Unrecht vom Auswahlkomitee übersehen wurde. Er war der Erste, der die neuen CCDs als Bildwandler eingesetzt hat.

Heutzutage finden sich fortschrittliche Imaging-Techniken in allen Satelliten, die die Erde umrunden. Sie liefern Bilder, die der Wissenschaft bei der Erkundung des Weltraums helfen. Die Astrophysik nutzt alle Fortschritte der Imaging-Technik zur umfassenden Kartierung des Raums in immer feinerem Detail, einschließlich der kürzlich entdeckten Exoplaneten. Wer ist nicht beeindruckt von den großartigen, beinahe unwirklichen Nahaufnahmen des Ringplaneten Saturn?

Auch die Anwendungen in unserer unmittelbaren Lebenswelt bedienen sich immer häufiger der eigentlich für den Weltraum entwickelten Bildverarbeitung. Wie selbstverständlich nutzen wir Live-Bilder von Wetter-Satelliten, um beim nächsten Outdoor-Barbecue nicht von Regen und Sturm überrascht zu werden. Darüber vergessen wir leicht, dass in diesen eindrucksvollen Bildern die harte Arbeit von Halbleiterphysikern und Ingenieuren steckt, um die Performance der Imaging-Systeme auf immer neue Höhen der Qualität und Zuverlässigkeit zu heben.

Anfangs wurde die Welt der Bilder somit von den CCDs dominiert, sowohl in Consumer-Anwendungen als auch im High-End-Segment des Weltraums. Denn die CCD-Bildwandler bieten günstige Eigenschaften für zwei in der Raumfahrt wichtige Parameter: große Sensorflächen mit extrem geringem Dunkelstrom und niedrigem Rauschen. Somit konzentrierte sich die Forschung und Entwicklung anfangs auf die Verbesserung der CCD-Bildwandler im Hinblick auf Lichtempfindlichkeit. Das führte zur Einführung der »Backside-Illumination«. Die Belichtung der Wandler-Chips auf ihrer Rückseite hilft bei der Unterdrückung von Reflexionen an den frontseitigen metallischen Oberflächen und bei der Absorption in den dielektrischen Schichten. Backside-Illumination hat neue Standards in der Wandler-Performance gesetzt.