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Autor: Sascha Stewen
Veröffentlicht: 17. Februar 2013
Ergänzt: 10. Mai 2013

Avantgarde: Panasonic Micro Color Splitters

Divide et Impera

Was die Herrscher über das Volk bereits vor zweitausend Jahren wussten, setzten die Techniker von Panasonic nun erstmals im Bereich der digitalen Bildaufzeichnung mit nur einem Sensor um. Statt das Licht zu filtern und damit einen Großteil ungenutzt auszuschließen, teilen sie es, frei nach dem klassischen Ausspruch Divide et Impera (Teile und Herrsche), und nutzen es so fast komplett. Auf diese Weise kann eine doppelte bis dreifache Lichtempfindlichkeit erzielt und so die Bildqualität gerade bei wenig Licht deutlich verbessert werden. Zudem funktioniert das Konzept nicht nur unabhängig von der darunterliegenden Sensorarchitektur, sondern soll auch mit bestehenden Produktionsmitteln realisiert werden können. Zu schön um wahr zu sein?

Ein Photosensor wandelt das auftreffende Licht entsprechend seiner Stärke in ein elektrisches Signal um. Dabei kann er selbst aber keine Farben unterscheiden und liefert dementsprechend ein monochromes Luminanzbild. Das wir heute trotzdem digitale Farbphotos aufnehmen können haben wir unter anderem Bryce E. Bayer zu verdanken, der in den 1970er Jahren für die Eastman Kodak Company den nach ihm benannten Bayer-Filter entwickelte. Dabei handelt es sich um eine Farbfiltermatrix, die auf dem Photosensor platziert ist und jedem Pixel nur einen definierten Farbbereich aus dem gesamten Spektralbereich des Lichts zuführt. Jedes Pixel zeichnet also nur die Luminanz von einer Farbe auf. Die anschließende Bildverarbeitung kennt die Filteranordnung und kann, durch Interpolation nebeneinanderliegender Pixel, die Farbinformation wieder herstellen. Nach diesem Prinzip arbeiten fast alle heutigen Digitalkameras.

Einen alternativen Ansatz hat nun Panasonic in Form von Micro Color Splitters, also Strahlenteilern im Miniaturformat, vorgestellt. In der gleichen Ebene, in der sonst die Farbfiltermatrix sitzt, wird dabei vor jedem zweiten Pixel ein solcher Miniaturstrahlenteiler aus Siliziumnitrid (SiN) in der Siliziumdioxidschicht (SiO²) platziert. Durch unterschiedliche Brechungsindizes trennt dieser eine Farbe aus dem Spektralbereich des Lichts heraus und leitet sie auf die daneben liegenden Pixel. Das restliche Licht wird dem eigenen Pixel zugeführt. Auf diese Weise wird zum einen die Luminanz von weißem Licht minus dem roten Anteil (Weiß-Rot), zum anderen die Luminanz von weißem Licht plus zusätzlichem Rotanteil (Weiß+Rot) aufgezeichnet. In der zweiten Zeile wird durch einen veränderten Strahlenteiler weißes Licht minus dem blauen Anteil (Weiß-Blau) und weißes Licht plus zusätzlichem Blauanteil (Weiß+Blau) aufgezeichnet. Es entsteht dadurch wie beim Bayer-Sensor auch eine Farbmatrix, die für die Interpolation der tatsächlichen Farbwerte genutzt wird.

Gleicher Sensor und gleiche Signalverstärkung: links Bayer-Filter, rechts Micro Color Splitters (Quelle: Panasonic)
Der Vorteil dieser neuen Methode zur Farbseparation für Photosensoren liegt in dem quasi nicht vorhandenen Lichtverlust. Da das gesamte auftreffende Licht auch effektiv genutzt wird, kann bei gleichen Lichtbedingungen ein stärkeres Signal und damit ein helleres Bild aufgezeichnet werden. Dies zeigt Panasonic auch in einem ersten Vergleich, bei dem zwei ansonsten identische Sensoren einmal mit einem herkömmlichen Bayer-Filter und einmal mit der neuen Micro-Color-Splitters-Matrix ausgestattet und mit gleicher Signalverstärkung ausgelesen wurden. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass für ein Bild mit gleicher Helligkeit eine geringere Signalverstärkung genutzt werden kann, was direkt zu einer höheren Bildqualität führt.

Das Beispiel von Panasonic zeigt darüber hinaus, dass die neue Methode das Stadium der reinen Theorie bereits verlassen hat und sich in der praktischen Entwicklung befindet. Zudem nennt der Hersteller einige Argumente, die für eine schnelle Marktreife sprechen:
1. Da sich die Änderungen nur auf die Schicht vor dem eigentlichen Sensor beziehen, während der Sensor selbst nicht verändert werden muss, könnte eine einfache Anpassung an vorhandene Produkte im Sensorbereich erfolgen, auch wenn aufgrund der Überlappung des Lichts weiteres Verbesserungspotenzial bei den Sensoren selbst besteht (etwa durch optimierte Mikrolinsenlayouts).
2. Zwar werden je Pixel unterschiedliche Spektralbereiche im Vergleich zu den typischen Bayer-Sensoren aufgezeichnet, das Grundprinzip zur Verrechnung der Luminanzwerte bleibt aber erhalten. Es müssen also die Algorithmen angepasst werden, neue Rechenmethoden sind aber nicht notwendig. Somit können bestehende Bildprozessorarchitekturen leichter für die neue Methode genutzt werden.
3. Panasonic gibt an, dass die Strahlenteiler aufgrund ihrer Ausführung und des Materials im normalen Produktionsprozess gefertigt werden können und bereits heute in Serie gehen könnten. Es besteht also keine Notwendigkeit für neue Technologien.

Grundsätzliche Erfahrung im Bereich der Farbseparation durch unterschiedliche Lichtbrechung hat Panasonic bereits, da seit Jahren im Camcorderbereich ein Strahlenteiler hinter dem Objektiv genutzt wird um das Licht auf drei Sensoren ohne eigene Farbfilter zu verteilen. Bei dieser Technik, Anfangs 3CCD, inzwischen 3MOS genannt, wird jedem Sensor ein Farbkanal zugeordnet und so ein einzelnes Farbbild aus den drei Luminanzbildern generiert. Sowohl bei der verwendeten Technik, als auch bei den nötigen Berechnungen gibt es aber deutliche Unterschiede, und aufgrund der notwendigen Baugroße konnte sich dieses Prinzip nur im Videobereich etablieren.

Meinung des Autors:

Mit neuen Megapixelrekorden kann man heute kaum noch Kunden gewinnen, vielmehr stehen schlechte Lichtsituationen und große Zoombereiche im Fokus der Kamerahersteller. Ziel der Entwicklungen der letzten Jahre waren deswegen Sensoren, die bei wenig Licht immer bessere Bildqualitäten lieferten. Nach den rückseitig belichteten Sensoren (BSI) könnte mit der Farbseparation durch Strahlenteiler der nächste Sprung erfolgen. Die vorgebrachten Hinweise des Herstellers auf die Umsetzungsmöglichkeiten mit aktueller Technologie sind aus technischer Sicht plausibel, zudem wird das Prinzip bereits seit Jahren im industriellen Bereich eingesetzt. Technische Machbarkeit und wirtschaftlich schwierige Zeiten stellten bereits häufiger einen guten Nährboden für Innovationen dar, insofern spricht Vieles dafür, dass Panasonic diese neue Technologie in naher Zukunft einführt. Aus Anwendersicht ist das Prinzip verlockend, rein durch eine bessere Nutzungsrate des vorhandenen Lichts eine bessere Bildqualität zu erreichen. Eine um 100 bis 200 Prozent höhere Lichtausbeute stellt einen Gewinn von einer bis anderthalb Blendenstufen dar. Oder anders ausgedrückt, was heute mit ISO 1.200 oder 1.600 qualitativ möglich ist, wäre dann mit ISO 3.200 möglich. Ein Fortschritt ist das sicherlich, ob es allerdings eine Revolution darstellen wird bleibt abzuwarten. Besonders bei kleinen Sensoren in Kompaktkameras und Smartphones wäre es allerdings sehr erfreulich und genau da kann man deswegen am ehesten mit der Markteinführung rechnen.

Ergänzung 10. Mai 2013: Auflösungsverluste?

Uns erreichte die berechtigte Frage, ob es durch die Verteilung des Lichts auf verschiedene Pixel nicht zu Auflösungsverlusten gegenüber herkömmlichen Sensoren kommt. Richtig ist, dass durch die Strahlenteilung nicht nur das eigentliche Zielpixel, sondern auch die danebenliegenden Pixel belichtet werden und es so zu einem Auflösungsverlust auf Sensorebene kommt, der bei einem vergleichbaren Bayersensor in der Form nicht auftritt. Dieser ist dafür in einem deutlich höheren Maße von Auflösungsverlusten aufgrund der notwendigen Signalverstärkung betroffen, die für eine gleiche Bildhelligkeit stärker ausfallen muss. Hinzu kommt bei beiden Sensoren die übliche Interpolation, bei der die Auflösung besonders auf der Farbebene, aber auch auf der reinen Luminanzebene weiter reduziert wird. Die von Panasonic veröffentlichten Zahlen lassen erwarten, dass es gegenüber den bisherigen Bayersensoren aus diesem Grund zu keinem Auflösungsverlust, sondern im Gegenteil zu einer Auflösungssteigerung kommen wird. Diese wird umso stärker deutlich, je geringer der Signal-Rausch-Abstand ausfällt. Eine offizielle Aussage von Panasonic zu dieser Problematik gibt es allerdings bisher noch nicht.
Als Fazit kann deswegen zum jetzigen Zeitpunkt (Mai 2013) nur festgehalten werden, dass es wie beim Bayersensor (allerdings aus anderen Gründen) auch zu Auflösungsverlusten kommen wird, deren Höhe erst bei konkreten Produkten endgültig eingeschätzt werden kann.

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