Forscher nutzen Quantum Dots für extrem hochauflösende Kamerasensoren

Koreanischen Forschern ist es gelungen, einen hochauflösenden Kamerasensor mit Hilfe von Quantum Dot Material zu entwickeln. Diese Entdeckung könnte zu extrem kompakten und/oder extrem hochauflösenden Kameras führen.

Wer hätte gedacht, dass Quantum Dots noch für etwas anderes, außer einer energieeffizienten Farbdarstellung auf Bildschirmen gut sind. Quantenpunkte kommen bereits seit Jahren bei QLED-Fernsehern von Samsung, TCL und Co. zum Einsatz. Und in absehbarer Zeit sollen Quantum Dots in Kombination mit OLED die neue Referenz am TV-Markt bilden. Doch die Forscher der Chung-Ang-Universität sind davon überzeugt, dass Quantenpunkte auch bei der digitalen Fotografie eine große Rolle spielen werden.

Es gibt Grenzen für Kamerasensoren

Seit Jahren sind Megapixel die Metrik, wenn es um die Bewertung der Fähigkeiten einer neuen Digitalkamera geht. Ein Sensor, der in der Lage ist, mehr Pixel zu erfassen, dessen Bildmaterial weist auch mehr Details auf. Die Anzahl, wie viele lichtempfindliche Pixel auf einen Kamerasensor gepackt werden können, ist jedoch begrenzt. Die Anzahl der Megapixel heutiger Kameras, z.B. in Smartphones, übersteigt oft deren Einsatzzweck. Für ein schickes Foto für Instagram wird einfach keine Kamera mit 64MP benötigt. Für andere Bereiche, z.B. für autonom fahrenden Autos, kann die Auflösung eigentlich nie hoch genug sein.

Ein typischer CMOS-Sensor unter einem Mikroskop betrachten, sieht aus wie ein Gitter aus Fotodioden, die mit einem Farbfilter bedeckt sind. Über diese können die Farb- und Helligkeitsinformationen erfasst werden. Für jeden Pixel müssen jedoch vier Dioden in rot, blau und zweimal grün angelegt und somit die vierfache Fläche auf dem Fotosensor reserviert werden. Wenn jedes Quadrat auf dem Gitter gleichzeitig rote, grüne und blaue Farbinformationen erfassen könnte, könnte man die Dichte und Auflösung des Sensors vervielfachen bzw. kompaktere Kameras mit der gleichen Auflösung entwickeln.

Forscher stapeln Quantum Dots für Kameras

Und genau hier kommen Quantenpunkte ins Spiel. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in der Zeitschrift Advanced Materials (siehe Quelle) haben Forscher der Chung-Ang-Universität in Seoul, Südkorea, herausgefunden, dass Quantenpunkte mit einer ganz bestimmten Größe und Zusammensetzung so angepasst werden können, dass sie nur auf Licht einer bestimmten Farbe reagieren. Dadurch reagiert das Quantum Dot-Material ähnlich wie die Fotodioden eines Bildsensors, jedoch ohne Farbfilter. Ferner können Quantenpunkte, die darauf ausgelegt sind, auf rotes, blaues und grünes Licht zu reagieren, tatsächlich übereinander gestapelt werden. Photonen die z.B. nicht die oberste Schicht ansprechen, werden nicht absorbiert, sondern wandern einfach zu den darunter angelegten Schichten.

Mehr Megapixel und kleinere Kameras ohne Einbußen

Jeder Pixel, der in einem Gitter dieser neuen Technologie angeordnet ist, erfasst Informationen zu jeder Farbe. Da Quantenpunkte extrem klein sind, können auch unglaublich viele Pixel auf engem Raum zusammengefasst werden. In einem Versuch konnten bereits 5.500 Pixel auf einer Fläche von nur einem Quadratzentimeter platziert werden. Diese Entdeckung hat das Potenzial, die Anzahl der Megapixel nach oben zu katapultieren oder Kameras und Sensoren hervorzubringen, die viel kleiner sind als die heute verfügbaren – und das alles ohne Einbußen bei Auflösung oder Leistung. Extrem kompakte Kameras könnten z.B. bei autonomen Autos direkt in die Karosserie eingearbeitet werden. Derzeit fahren Testfahrzeuge immer noch mit Dachgepäckträger voller Sensoren und Kameras aufweisen umher.

Was sind Quantum Dots / Quantenpunkte?

Quantenpunkte sind sehr kleine Halbleiter-Nanokristalle, die in einer bestimmten Farbe leuchten, wenn sie durch Licht aktiviert werden. Diese Entdeckung führt zu Bildern, die heller, lebendiger und natürlicher in Bezug auf die Farben sind. Jüngste Innovationen haben gezeigt, dass Quantenpunkte mit OLED-Bildschirmtechnologie kombiniert werden, um Fernseher zu schaffen, die eine beeindruckende Helligkeit mit lebendigen Farben und tiefem Schwarz erzeugen und gleichzeitig energieeffizienter sind. Die Quantenpunkttechnologie wurde in den letzten Jahren von Fernsehherstellern sicherlich stark vorangetrieben, insbesondere bei Veranstaltungen wie der CES, bei denen Fernseher im Mittelpunkt stehen. Mit immer neuen Anwendungsfeldern für die Quantenpunkte wird das Material seinem Hype immer gerechter.