Schneller, heller, smarter: Wie BSI-Sensoren die Digicams revolutionieren

Wer sich eine Digicam kauft, wird von mäßig aussagekräftigen Begriffen überschüttet. Ein neuer Stern am Himmel der Marketing-Ausdrücke ist der BSI-Sensor. Bei diesen rückseitig belichteten CMOS-Chips liegt die Elektronik zum Auslesen der Daten nicht mehr wie bislang vor, sondern hinter den Fotozellen. Wir zeigen, was es mit der Technologie auf sich hat, worin die Vorteile liegen und welche Kameras die Technik einsetzen.

von Stefan Möllenhoff am 17. März 2010, 17:54 Uhr

Starkes Bildrauschen, niedrige Geschwindigkeit und eingeschränkter Funktionsumfang – da können Digitalkameras nur neidisch zu ihren DSLR-Verwandten herüberschielen. In einem kompakten Gehäuse ist einfach kein Platz für einen großen Bildsensor, für schnelle Ausleseelektroniken und tonnenweise Extras. Mit den backside illuminated Chips (BSI) soll alles besser werden, versprechen die Hersteller. Ein Blick in die Datenblätter aktueller Kompaktkameras lässt hoffen: Full-HD-Videofunktion, 1000-fps-Bildrate, Nachtaufnahmemodus, Schwenkpanoramafunktion und, und, und – trotz superschlankem Gehäuse.

Technologie

Ein „gewöhnlicher“ Bildsensor besteht aus mehreren Schichten. Ganz oben auf dem Chip sitzen Mikrolinsen, die das einfallende Licht für eine maximale Ausbeute bündeln. Dadurch ist gewährleistet, dass auch schräg auf den Sensor eintreffende Photonen auf die weiter unten liegenden Fotozellen fallen.

Beim konventionellen Sensor (links) ist auf dem Schema deutlich zu erkennen, wie die Verdrahtung des Bildsensors etliches an Photonen daran hindert, zur lichtempfindlichen Photodiode durchzudringen. (Bild: Sony)

Hinter der Schicht mit den Linsen befindet sich die sogenannte Bayer-Maske. Da die einzelnen Lichtfänger auf dem Bildsensor keine Farben „sehen“, sondern nur eintreffende Photonen zählen, liefern sie lediglich eine Helligkeitsverteilung. Der Bayer-Filter sorgt dafür, dass jeder Pixel nur eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau abbekommt. Mittels Interpolation errechnet die Elektronik der Kamera schließlich die korrekten Farben.

Da Menschen aus evolutionären Gründen Grüntöne differenzierter wahrnehmen, gibt es in der Bayer-Maske ebensoviele für Grün zuständige Fotozellen wie für Rot und Blau zusammen. (Bild: Wikipedia)

Unter der Bayer-Maske sitzen allerdings noch nicht direkt die lichtempfindlichen Zellen. Hier ist bei konventionellen Sensoren erst noch die Ausleseelektronik untergebracht, die die von den Photonenfallen gezählten Lichtteilchen in Form von Elektronen an den bildverarbeitenden Prozessor der Kamera weiterleitet. Da Leiterbahnen ähnlich gute optische Eigenschaften wie Stahlbeton bieten, geht hier eine Menge Licht verloren. Ganz zuletzt, hinter der Elektronik, kommen die Fotozellen.

Das linke Bild zeigt Mikroskopaufnahmen von einem konventionellen und einem rückseitig belichteten Sensor. Hier ist deutlich zu erkennen, wie die Verdrahtung des Sensors einen Teil der lichtempfindlichen Silizium-Schicht verdeckt. Rechts ist nochmal ein BSI-Chip im Detail zu sehen. (linkes Bild: Samsung, rechtes Bild: Sony)