Den Ersatz der teuren, stromfressenden CCD-Chips durch CMOS-Sensoren prophezeien Forscher am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg.
Ein Jahr Arbeit haben Michael Schanz und seine Kollegen investiert. Die jungen Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg hatten einen Bildsensorchip und im Anschluss daran eine digitale Videokamera entwickelt, mit der nun auch Aufnahmen bei sehr schwierigen Lichtverhältnissen gelingen. Schanz und seine Kollegen Christian Nitta und Thomas Eckart lieferten Auftraggeber BMW ein Kamerasystem ab, das alle bisher existierenden Systeme übertrifft.
Das Problem waren Helligkeitsunterschiede in Größenordnungen, die von herkömmlichen Geräten nicht umgesetzt werden. Eine Idee, wie dies gelöst werden könnte, hatte ein Forscher bei BMW in München: „Wenn jeder Bildpunkt einzeln belichtet würde, dann müsste man diese Helligkeitsunterschiede ausgleichen können“, war sich Dr. Reiner Wertheimer, Leiter der Computervision-Gruppe der BMW-Forschung, sicher. Um ihre These überprüfen zu lassen, wandten sich die Münchener an das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg. Die Duisburger erstellten eine Machbarkeitsstudie und erhielten den Auftrag, die digitale Videokamera zu entwickeln.
Das Team entwickelte einen sogenannten Bildsensorchip in CMOS-Technik mit 256 x 256 Bildpunkten. Dieser ist in der Lage, jeden einzelnen Bildpunkt individuell zu verarbeiten. Gekoppelt mit einer intelligenten Elektronik kann so in kleinsten Zeitintervallen die Beleuchtungsstärke ermittelt und die jeweilige optimale Belichtungszeit berechnet werden. „Jeder Fotograf kennt das Prinzip: Bei einer hellen Lichtquelle wird kurz belichtet, und bei wenig Lichteinfall wird die Blende entsprechend länger geöffnet“, erläutert Schanz. Das von den Duisburger Wissenschaftlern entwickelte Kamerasystem steuert den Bildsensorchip so, dass jedes Pixel pro Bild mit bis zu vier unterschiedlichen Belichtungszeiten ausgelesen wird. Aus den vier Pixelwerten wird anschließend derjenige ausgewählt, der das beste Resultat in Bezug auf die Bildqualität liefert. In Kombination mit den anderen Bildpunkten entsteht so ein Bild, das an allen Stellen die beste Belichtung aufweist. Erstaunlich ist, dass der Vorgang nur 1/50 s dauert.
Die Fraunhofer-Forscher haben ihren Bildsensor zuerst am Computer entworfen und die elektronische Schaltung anschließend als CMOS-Chip in Silizium gegossen. Das Ganze nennt sich Asic.
„Da wir in unserem Institut eine eigene Halbleiterfertigung betreiben und damit auch kleine Stückzahlen von wenigen hundert Chips realisieren können, konnten wir schon nach relativ kurzer Zeit unseren Bildsensor in der Praxis testen“, berichtet Schanz stolz. „Probleme und Fragen waren durch die Unterstützung der Kollegen aus der Halbleiterfertigung schnell gelöst“, sagt er. Mit im Boot ist der Chiphersteller Elmos in Dortmund. Beide besitzen kompatible Fertigungslinien. Übersteigen die Stückzahlen die Kapazitäten des IMS, übernimmt der Chiphersteller den Auftrag. Damit ist dann die Fertigung von mittleren Losgrößen gesichert. wm
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