LONDON (IT BOLTWISE) – Eric Fossum schrieb 1993 „Active Pixel Sensors: Are CCD’s Dinosaurs?“ und stellte damit den CCD als scheinbar überlegenem Standard infrage. Aus einer damals skeptisch betrachteten Idee wurde eine Sensor-Architektur, die heute Milliardenfach in Kameras verbaut ist. Der Weg führte über Noise-Engineering, doppelte Messungen pro Pixel und spätere Verbesserungen wie den pinned photodiode. Fossum wird dafür 2026 mit dem Charles Stark Draper Prize ausgezeichnet.
Dass die Kamera im Smartphone heute so klein, stromsparend und massentauglich ist, wirkt wie ein selbstverständlicher Fortschritt. Tatsächlich begann die Entwicklung als technische Gegenrede: 1993 veröffentlichte der NASA-Ingenieur Eric Fossum die Arbeit „Active Pixel Sensors: Are CCD’s Dinosaurs?“ und formulierte darin die These, dass aktive Pixel-Sensoren viele Anwendungen bald übernehmen würden. Die Pointe war bewusst zuspitzend, denn CCDs (Charge-Coupled Devices) hatten zu dieser Zeit gerade erst in Astronomie, Rundfunk und allgemeiner Bildgebung entscheidende Durchbrüche geliefert. Fossum ging es aber nicht um einen Hype, sondern um ein sehr praktisches Problem: CCDs funktionierten zwar technisch hervorragend, waren für die Miniaturisierung und die Logistik kleinerer Missionen aber unhandlich.
Der Engpass lag im Prinzip der CCD-Bildwandlung. CCDs sammeln Licht als elektrische Ladung in jedem Pixel und schieben diese Ladung anschließend pixelweise über den Chip – als eine Art „Bucket-Brigade“ bis zu einem einzelnen Verstärker am Rand. Diese Mechanik aus Berechnungs- und Transportoperationen klingt elegant, verlangt aber dafür hohe Spannungsanforderungen, einen vergleichsweise hungrigen Energiehaushalt sowie zusätzliche Support-Elektronik, die sich kaum vollständig auf demselben Siliziumbaustein integrieren lässt. Für einen Satelliten oder eine Raumsonde, die „wie ein Bus“ aufgebaut ist, ist das oft noch akzeptabel. Für kostengünstigere, kleinere Missionen zu Beginn der 1990er Jahre wurde es dagegen zum strukturellen Nachteil.
Fossums Ansatz setzte genau dort an, wo das CCD-Transportband nötig wird: Jeder Pixel bekommt seinen eigenen Verstärker und liest damit sein Signal direkt aus. Dadurch verschwindet der Ladungstransport als zentrales Element – und mit ihm fallen die strengen Spannungsanforderungen, die zuvor die Energie- und Integrationsfrage dominierten. Der eigentliche Stolperstein war jedoch nicht die Architektur, sondern das Rauschproblem. Frühe aktive Pixelansätze litten unter mehr Noise und wirkten dadurch in der Bildqualität oder im praktischen Betrieb „unreif“. Fossums Lösung übernahm dagegen ein Konzept aus der CCD-Welt: Er lässt jedes Pixel zweimal messen – vor und nach der Belichtung – und wertet die Differenz als eigentlichen Nutzsignalanteil aus. Das lässt sich anschaulich als Messung einer „leeren“ und einer „gefüllten“ Einheit beschreiben: Wie der Rest nach dem Wiegen das Ergebnis liefert, soll die Differenzmessung das „Saubere“ herausziehen.
Als das Rauschen beherrschbar wurde, konnten die übrigen Bausteine – Timing-Schaltungen, Wandler und Bildverarbeitung – ebenfalls auf den Chip wandern. Genau hier liegt der praktische Sprung von einem System hin zu einer Komponente: Eine Kamera wird nicht mehr als ganze Baugruppe verstanden, sondern als integrierter Sensorbaustein, der sich massenhaft in Geräte einpassen lässt. In der Beschreibung der NASA wird dabei eine deutliche Reduktion des Energiebedarfs genannt: Gegenüber einem vergleichbaren CCD-System soll der Stromverbrauch um bis zu den Faktor 100 gesunken sein. Selbst wenn einzelne Zahlen in der späteren Ausprägung von Sensorfamilien variieren, zeigt die Richtung sehr klar, warum der CMOS-Weg für Mobilgeräte und Automobilanwendungen überhaupt erst realistisch wurde.
Über diesen „Machbarkeitspunkt“ hinaus war der Weg zur Akzeptanz lang. Fossum schilderte später, wie groß der Widerstand in seinem Umfeld war: „It was a long, uphill fight to prove that to everybody, “ sagte er der National Inventors Hall of Fame in Erinnerung an die damalige Debatte. Skeptiker hatten dabei durchaus Argumente, denn frühe aktive Pixel-Sensoren waren tatsächlich noch unhandlich und rauschanfälliger; Fossums eigener Artikel räumt ein, dass es Jahre dauern würde, bis der CCD-Standard wirklich abgelöst werden kann. Dieses „Spät kommt die Qualität“ lässt sich technisch gut nachvollziehen: Entscheidend wurden Verfeinerungen, etwa rund um die Struktur des pinned photodiode. Erst damit konnten CMOS-Sensoren nicht nur kostenseitig und stromtechnisch punkten, sondern in der Bildqualität mit den etablierten CCDs konkurrieren oder diese sogar übertreffen.
Aus dem Forschungs- und Engineering-Kontext heraus wurde der Transfer dann auch organisatorisch umgesetzt. 1995 verließen Fossum und vier Kolleginnen und Kollegen das Jet Propulsion Laboratory, um Photobit zu gründen. Das Startup lizenzierte die Technologie und gilt als erstes Unternehmen, das CMOS-Bildsensoren kommerziell verkaufte. Die ersten Nutzer wirkten dabei überraschend „klein“: Ein frühes Einsatzfeld war ein dreiköpfiges Team im Bereich der zahnmedizinischen Bildgebung in Long Island City. Ein NASA-Feature zu den heutigen Bildgebungsverfahren in der Zahnmedizin beschreibt, dass Fossum den Gründer mehrfach warnte: Die Chips seien zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgereift, und die Pixel ließen sich noch nicht klein genug fertigen. Der Gründer entschied sich dennoch für die Anwendung – ein klassisches Beispiel dafür, wie Unternehmen neue Sensorik oft früher „an die Wand“ fahren, als es die reine Laborreife nahelegt.
Dass das Thema inzwischen industriell angekommen ist, sieht man an der Reichweite der Anwendung. Moderne Missionen setzen CMOS-Detektoren gezielt dort ein, wo viele Kamera-Aufsätze sinnvoll sind. Die Perseverance-Rovermission trägt laut dem Kamera-Beitrag in Space Science Reviews 23 Kameras über Rover und Entry Vehicle; außerdem teilen neun Oberflächenkameras einen global-shutter CMOS-Detektor, der Noise mit dem gleichen doppelten Abtastprinzip kompensieren soll. Und auch wirtschaftlich verdichtet sich die Entwicklung zu einer einfachen Gleichung: Ein Sensor, der wenig Masse und wenig Leistung benötigt, lässt sich mehrmals installieren – und ein System mit hoher Stückzahl sinkt im Stückpreis relativ zum Gesamtbudget. Bei der Marktnachfrage verweist die Branchenanalyse Yole Group für 2024 auf CMOS-Image-Sensor-Umsätze von 23,2 Milliarden US-Dollar und prognostiziert 30 Milliarden bis 2030, wobei Smartphones den größten Teil der Nachfrage antreiben.
Auf der Anerkennungsseite wird Fossums Beitrag zusätzlich sichtbar: Im Januar 2026 erhält er den Charles Stark Draper Prize. Die Begründung beschreibt seine Erfindung als Kerntechnologie hinter etwa sieben Milliarden Kameras, die pro Jahr produziert würden; die Auszeichnung ist mit 500.000 US-Dollar dotiert und wird neben weiteren Technologiepreisen verortet. Gleichzeitig zeigt der Blick auf Fossums heutiges Arbeiten, dass der „zweite Schritt“ bereits wieder vorbereitet ist: Er baut an der Quanta Image Sensor-Designidee an der Dartmouth, die einzelne Photonen zählt statt sie in einer gepoolten Ladungsmenge zu sammeln. Im Kern folgt das neue Projekt demselben Muster wie damals – zuerst die Annahme identifizieren, auf der das etablierte System basiert, und dann prüfen, ob Silizium inzwischen genug Reserven hat, um diese Annahme technisch zu entkräften.
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