Pixelsensoren

Pixel sensoren sind eine Klasse von Bildsensoren, die Licht in elektrische Signale auf einer zweidimensionalen Anordnung von Pixeln umwandeln. Jedes Pixel erfasst Photonen, wandelt sie in Ladung um und liefert eine Helligkeitsinformation, aus der digitale Bilder rekonstruiert werden. Pixel sensoren kommen in Digitalkameras, Smartphones, Überwachungssystemen, medizinischer Bildgebung und in der Wissenschaft (z. B. Astronomie, Messtechnik) zum Einsatz.

Die Funktionsweise variiert nach Technologie. Bei CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device) wird die Ladung aus den Pixeln zeilenweise zu einem Ausleseknoten verschoben, dort verstärkt und dann digital konvertiert. Bei CMOS Pixel Sensoren (APS, Active Pixel Sensor) befinden sich in jedem Pixel Transistoren für Reset, Verstärkung und Auslese; so kann das Signal direkt im Pixel gelesen oder zeilenweise ausgelesen werden. Moderne Pixel sensoren verwenden Backside Illumination (BSI) und Mikrolinsen, um die Lichtausbeute zu erhöhen. Farbaufnahme erfolgt typischerweise über einen Farbraster (z. B. Bayer-Filter) oder andere Spektralfilter.

Wichtige Leistungskennzahlen sind Auflösung, Pixelgröße, Dynamikbereich, Rauschverhalten, Quantenwirkungsgrad, Fill-Factor, spektrale Empfindlichkeit und Belichtungsmodi wie Global Shutter versus Rolling Shutter. Technisch fortgeschrittene Sensoren nutzen Monolithische oder Mehrschicht-Architekturen (MAPS), um Rauscharmut und Empfindlichkeit zu verbessern, oder ToF-Pixel (Time-of-Flight) für Tiefenmessung.

Anwendungen umfassen Konsumenten-Kameras, Satelliten- und Weltraumbeobachtung, medizinische Bildgebung (Digitalröntgen, Endoskopie) und industrielle Bildverarbeitung. Zukünftige Entwicklungen zielen auf höhere Dynamik, geringeres Rauschen, kleinere Pixel bei gleichzeitig erhöhter Lichtausbeute sowie Integration zusätzlicher Funktionen wie Depth Sensing oder In-Sensor-Verarbeitung.