Fujifilm und Panasonic entwickeln gemeinsam eine organische CMOS-Bildsensortechnologie unter Verwendung einer organischen photoelektrischen Umwandlungsschicht

Industrieweit höchster* Dynamikbereich und Empfindlichkeit für lebhafte und strukturierte Bilder

Die FUJIFILM Corporation und die Panasonic Corporation haben eine organische CMOS-Bildsensortechnologie entwickelt, bei der eine organische photoelektrische Umwandlungsschicht im lichtempfindlichen Bereich eines Bildsensors verwendet wird. Diese Schicht verfügt über photoelektrische Umwandlungseigenschaften, durch die eine Leistung erreicht wird, die weit über der von herkömmlichen Bildsensoren liegt**. Der Einsatz dieser Technologie bei Bildsensoren von digitalen Kameras und anderen bildgebenden Geräten erweitert den Dynamikbereich dieser Geräte*** und verbessert gleichzeitig die Empfindlichkeit*4 enorm. Dadurch wird nicht nur das Ausfressen von Lichtern in hellen Szenarios vermieden, sondern dunkle Bereiche weisen auch leuchtende Farben und reichhaltige Strukturen auf.

Die Branche hat kontinuierlich große Anstrengungen unternommen, Bildsensortechnologien zur Steigerung ihrer Pixelanzahl zu erforschen. Dies hat zu deutlich besseren Sensorauflösungen geführt, aber zur weiteren Verbesserung der Bildqualität ist es notwendig, den Dynamikbereich zu erweitern, die Empfindlichkeit zu erhöhen und ein Übersprechen (Cross-talk) oder Mischen von Farben (Color Mixing) zwischen den Pixeln zu vermeiden. Panasonic hat mithilfe seiner Halbleitertechnologie die Bildqualität seiner leistungsstarken Bildsensoren verbessert. Fujifilm hat seinerseits im Rahmen seiner Bemühungen eine neue Bildsensortechnologie zu entwickeln, eine äußerst zuverlässige organische photoelektrische Umwandlungsschicht mit hohem Absorptionskoeffizienten entworfen, die anstelle von Siliziumdioden*5 im lichtempfindlichen Bereich von Sensoren verwendet werden soll.

Bei ihrer Zusammenarbeit haben Fujifilm und Panasonic die organische photoelektrische Umwandlungsschicht-Technologie von Fujifilm mit der Halbleitertechnologie von Panasonic kombiniert, um gemeinsam einen organischen CMOS-Bildsensor zu entwerfen, der die Leistung herkömmlicher Bildsensoren bei weitem übertrifft. Der neue organische CMOS-Bildsensor bietet branchenweit mit 88 dB den höchsten Dynamikbereich, eine im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren** 1,2-fache höhere Empfindlichkeit und eine größere Bandbreite an Einstellwinkeln*6, um die Produktion von kompakteren Kameras mit höherer Empfindlichkeit und Bildqualität zu ermöglichen.

Beide Unternehmen setzen sich dafür ein, dass diese organische CMOS-Bildsensortechnologie in einer großen Auswahl an Produkten, wie beispielsweise Sicherheitskameras, Fahrzeugkameras sowie Mobilgeräte- und Digitalkameras, Anwendung findet.

* Leistung des lichtempfindlichen Bereichs von Bildsensoren gemäß Panasonic-Daten vom 11. Juni 2013
** Schätzung von Panasonic-Bildsensoren
*** Bereich des Lichts, das aufgenommen werden kann (Verhältnis zwischen dem hellsten und dunkelsten aufgenommenen Bereich)
*4 Die Empfindlichkeit der Bildsensoren bezieht sich auf das Umwandlungsverhältnis von Licht in elektrische Signale. Je größer die Empfindlichkeit ist, desto kontrastreicher werden Aufnahmen im Dämmerlicht.
*5 Eine Art von Fotodetektor, der das einfallende Licht erfasst, installiert für jedes Bildsensorpixel, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln
*6 Spektrum der einfallenden Lichtwinkel zur effizienten Umwandlung in elektrische Signale

Überblick über die neu entwickelte organische CMOS-Bildsensortechnologie

Ein herkömmlicher Bildsensor besteht aus einer Silizium-Photodiode zur Lichterfassung, einer Metallverbindung, einem Farbfilter und einem On-Chip-Mikro-Objektiv. Die neu entwickelte organische CMOS-Bildsensortechnologie nutzt anstatt der Silizium-Photodiode eine organische photoelektrische Schicht mit hohem Absorptionskoeffizienten. Dadurch kann die Dicke des lichtempfindlichen Bereichs auf 0,5 Mikrometer reduziert werden, was nur einem Bruchteil der Dicke einer Silizium-Photodiode entspricht. Diese Struktur bietet folgenden Vorteile:

Überblick über die neu entwickelte organische CMOS-Bildsensortechnologie

*(1) Mit 88 dB den branchenweit höchsten Dynamikbereich, um ein Ausfressen von Lichtern zu vermeiden und die Aufnahme leuchtender, strukturreicher Bilder selbst bei schlechten Lichtverhältnissen zu ermöglichen*

Dank Panasonics Halbleitertechnologie hat sich der Signalsättigungswert*7 im Vergleich zu dem herkömmlicher Bildsensoren um das 4-fache verbessert. In Verbindung mit dem neu entwickelten Rauschunterdrückungsstromkreis bietet die Sensortechnologie den branchenweit höchsten Dynamikbereich von 88 dB. Dies soll ein Ausfressen der Lichter bei hellen Szenarios verhindern und die Aufnahme leuchtender, strukturreicher Bilder selbst bei schlechten Lichtverhältnissen ermöglichen.

*7 Die maximale Menge an elektrischen Signalen, die verarbeitet werden können. Ist das empfangene Signal größer als dieser Wert, kommt es zu einem Ausfressen von Lichtern (Highlight-Clipping).

Highlight-Clipping

*(2) Eine 1,2-fache höhere Empfindlichkeit als herkömmliche Sensoren zur Aufnahme konstrastreicher Bilder selbst bei schlechten Lichtverhältnissen*

Die unter Verwendung der Halbleitertechnologie von Panasonic hergestellten Transistoren und Metallverbindungen in jedem Pixel sind mit einer photoelektrischen Umwandlungsschicht überzogen, die unter Verwendung der organischen Materialtechnologie von Fujifilm entwickelt wurde. Die Fläche des lichtempfindlichen Bereichs ist bei herkömmlichen Bildsensoren aufgrund der vorhandenen Metallverbindungen und der Notwendigkeit, einen Lichtschild zu formen, um einen Lichteinfall in anderen Bereichen als dem Photodioden-Bereich für jeden Pixel zu verhindern, begrenzt. Die organische CMOS-Bildsensortechnologie ermöglicht jedoch die Beschichtung des Sensors mit einer organischen Schicht, die das gesamte auf den Sensor treffende Licht einfangen kann. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit des Sensors im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren um das 1,2-fache %, sodass selbst bei schlechten Lichtverhältnissen kontrastreiche Bilder ausgenommen werden können.

Image Sensor pixel

*(3) Der nutzbare Einfallswinkel des Lichts wurde auf 60 Grad erweitert, für eine originalgetreue Farbwiedergabe (siehe vorherige Bildsensor-Abbildungen)*

Die von Fujifilm entwickelte organische Schicht mit hohem Absorptionskoeffizienten hat nur noch eine Dicke von 0,5 Mikrometer, was einem Bruchteil der Dicke einer Silizium-Photodiode im lichtempfindlichen Bereich entspricht. Da die herkömmliche Silizium-Photodiode in der Tiefe mindestens 3 Mikrometer misst, ist der Lichteinfallswinkel bei herkömmlichen Sensoren auf ca. 30 – 40 Grad begrenzt. Die dünne Schicht, die durch die organische CMOS-Bildsensortechnologie erreicht werden kann, macht einen größeren Einfallswinkel von bis zu 60 Grad möglich, sodass das in einem Winkel einfallende Licht effizient für die naturgetreue Farbwiedergabe ohne Farbmischungen genutzt werden. Zudem sorgt dies für eine größere Flexibilität im Hinblick auf die Konstruktion des Objektivs, was die Verringerung der Gesamtgröße der Kamera erleichtert.

*(4) Bietet hohe Zuverlässigkeit für breit gefächerte Anwendungen*

Fujifilm hat eine Verfahrenstechnologie zur Herstellung anorganischer Schichten für den Schutz der organischen Schicht entwickelt. Diese verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff in die organische Schicht und schützt sie so vor einer Leistungsverschlechterung. Die Sensortechnologie hat mehrere Verlässlichkeitstests erfolgreich durchlaufen, bei denen sie Belastungen, wie z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, elektrische Spannung und Licht, ausgesetzt war, um den Weg freizumachen für den Einsatz von organischen CMOS-Bildsensoren in einer großen Auswahl an Anwendungen.

Änderungen vorbehalten, Quelle: Fujifilm

Faszination Fototechnik 06 / 2013

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