Als er extreem weinig licht beschikbaar is, is elke foton voor de beeldvorming belangrijk. De huidige technologieën lopen hier vaak hun grenzen aan. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg hebben een diode ontwikkeld, die fotonen sneller dan tot nog toe kan uitlezen.
Snelle en zeer gevoelige optische systemen worden voor de meest verschillende toepassingen gebruikt, zoals voor beeldvormende technieken in de medische wereld en biologie, in de astronomie maar ook bij veiligheidstechnieken in de automobielindustrie. Vaak is het een uitdaging om bij extreem weinig licht beelden met een hoge kwaliteit op te nemen.
Moderne detectoren voor beeldvorming bereiken hier vaak hun grens. Ze werken met lichtgevoelige elektronische componenten, gebaseerd op CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) of CCD- (Charge Coupled Device) beeldsensoren. Maar het probleem is, dat de huidige CMOS- noch CCD-systemen tegelijkertijd een snelle én zeer gevoelige opname in hoge kwaliteit kunnen garanderen als het gaat om het uitlezen van enkele fotonen.
Fraunhofer- IMS heeft een CMOS-techniek doorontwikkeld met een technologie die is gebaseerd op single photon avalanche photodiode (SPAD), een zeer gevoelige beeldsensor. Hiervan kan de pixelstructuur de aparte fotonen binnen enkele picoseconden tellen, wat duizendmaal sneller is dan vergelijkbare modellen. Omdat elke foton wordt benut, zijn camera-opnamen ook bij extreem zwak licht mogelijk.
Camera direct op de chip
Hiervoor gebruikt de nieuwe beeldsensor het inwendige lawinedoorbraakeffect, een foto-elektrisch versterkereffect. Het aantal doorbraken komt daarbij overeen met het aantal fotonen dat op de pixel is terechtgekomen. Om dit te kunnen tellen, is elke pixel van de sensor met nauwkeurige digitale tellers uitgerust.
Tegelijkertijd hebben de wetenschappers microlenzen aangebracht op elke sensorchip, die de straling bij elke pixel op het foto-actieve oppervlak concentreren. Nog een voordeel: een bewerking van de digitale beeldsignalen is al direct op de microchip mogelijk, zodat aanvullende analoge signaalverwerking niet meer noodzakelijk is.
De beeldsensor is een grote stap vooruit voor de digitale beeldgeneratie en -verwerking. Dit maakt het mogelijk om ook bij zeer zwakke lichtbronnen foto-opnames te maken. De nieuwe technologie installeert de camera direct op de halfgeleider en is in staat om de informatie van het licht veel sneller in beeld om te zetten.
Vervolg
Het IMS heeft de sensor ontwikkeld binnen het Europese onderzoeksproject MiSPiA (Microelectronic Single-Photon 3D Imaging Arrays for low-light high-speed Safety and Security Applications). In Europa zijn in totaal zeven partners uit onderzoek en bedrijfsleven deelnemers in het project.
In de volgende stap werken de wetenschappers aan een proces voor de productie van sensoren, die vanaf de achterkant kunnen worden belicht en daardoor nog krachtiger zijn. Tegelijkertijd wordt de nieuwe technologie al bij testen in het verkeer toegepast. De op een chip gebaseerde minicamera’s beschermen onder meer voertuigen, fietsers en voetgangers tegen botsingen en ongevallen of helpen bij de betrouwbare functies van veiligheidsgordels en airbags.
