Wunderwelt Technik

CMOS-Bildwandler vor dem großen Leistungssprung?

2005-12-12 Die US-Forscher Mark Bocko und Zeljko Ignjatovic von der "University of Rochester" haben gleich zwei neue Technologien erfunden bzw. entwickelt, um die Effektivität von CMOS-Bildwandlern zu steigern. So sollen die Sensoren in Zukunft nicht nur deutlich lichtempfindlicher werden, sondern auch nur noch einen Bruchteil des Stroms verbrauchen, wie es aktuelle CMOS-Sensoren tun. Damit ausgestattete Kameras könnten auf die Größe eines Hemdknopfes schrumpfen und jahrelang auf nur einer Batterie laufen.  (Yvan Boeres)

Mark Bocko und Zeljko Ignjatovic mit einem Prototyp des neuen CMOS-Chips [Foto: Universität Rochester]Zwar sehen die beiden Wissenschaftler derzeit den Hauptanwendungszweck der von ihnen entwickelten Technologie(n) in der Videoüberwachung, doch prinzipiell dürfte nichts gegen eine Anwendung in digitalen Fotokameras sprechen. Zuerst einmal ist es dem Forscher-Duo gelungen, einen Analog/Digital-Wandler im so genannten Sigma-Delta-Design auf Pixelebene unterzubringen. Bisherige Versuche, die Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal auf jedem einzelnen Pixel vorzunehmen, führten wegen der großen Anzahl an benötigten Transistoren zu einer Verknappung der lichtempfindlichen Pixelfläche. Das neue Design macht hingegen von nur 3 Transistoren pro Pixel Gebrauch, was fast die Hälfte der Pixelfläche für das Auffangen des Lichtes übrig lässt. Alleine dadurch konnte der Stromverbrauch im Videomodus auf nur 0,88 Nanowatt pro Pixel bei einer Bildwiederholrate von 30 Bildern pro Sekunde gesenkt werden – das soll 50 mal weniger sein als das Beste, was industriell gefertigte CMOS-Sensoren bisher je erreichen konnten.

Die Vergrößerung der lichtempfindlichen Pixeloberfläche wirkt sich natürlich auch auf die allgemeine Lichtempfindlichkeit des Chips und auf den Dynamikumfang aus. Liegt das Verhältnis zwischen der geringsten und höchsten Lichtintensität, die herkömmliche CMOS-Sensoren registrieren können, derzeit bei 1:1.000, soll der neue Bildwandler aus Rochester bereits im Prototypen-Stadium einen Dynamikumfang von 1:100.000 schaffen.

Das Besondere am Chip-Design der beiden US-Forscher soll vor allem die Methode sein, wie das Signal ausgelesen wird. Hier wird zwar anfangs auch eine Spannung an jeder Photodiode angelegt (die sich dann bei eintreffendem Licht entlädt), doch es werden für die nächste Aufnahme sozusagen nur die Photodioden wieder aufgeladen, die es wirklich nötig haben. Diese Art der "Pixel-Rückmeldung" macht das neue Design so einzigartig und wirkt sich so positiv auf den Stromverbrauch aus. Wie man den Stromverbrauch von CMOS-Sensoren sonst noch drastisch senken kann, zeigen Bocko und Ignjatovic mit einer weiteren Entwicklung. Durch eine besondere, ungleichmäßige Anordnung der Pixelelemente, die den Besonderheiten der so genannten diskreten Kosinus-Transformation (die zur Bildkomprimierung verwendet wird) angepasst ist, konnte der für die Bildkomprimierung benötigte Rechenaufwand auf nur ein Fünftel reduziert werden.

Noch handelt es sich bei der komprimierungsfreundlichen Pixel-Anordnung und bei der A/D-Wandlung auf Pixel-Ebene um zwei getrennte Entwicklungen. Doch Bocko und Ignjatovic arbeiten bereits daran, beide Techniken auf einem Chip zu vereinen. Von den Vorzügen der neuen Technik(en) sollen vorerst Video- bzw. Überwachungskameras profitieren. Ob sich diese Techniken auch auf Digital-Fotokameras und Foto-Handys anwenden lassen und sich mit solchen Geräten auch Batterie- und Prozessor-Leistung einsparen lassen können, wollen die beiden US-Forscher im späteren Verlauf ihrer Recherchen herausfinden. Jedenfalls sehen die Aussichten sehr viel versprechend aus, und wenn man weiß, dass ein größerer Digitalkamera-Hersteller ebenfalls in Rochester beheimatet ist (die Rede ist natürlich von Kodak), kann man sich nur wünschen, dass der "gelbe Riese" ein Auge auf die Forschungsarbeiten seiner "Nachbarn" wirft.

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