Bildsensoren

Adlerauge als Vorbild für Nanokamera mit hoher Sehschärfe

17.02.17 | Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Vergleich zwischen Abbildung ohne "Foveated Imaging" (links) und mit "Foveated Imaging" (rechts). Die oberen Abbildungen verwenden das geläufige Testbild "Lena", die unteren ein Sterntestbild von Siemens.
Vergleich zwischen Abbildung ohne "Foveated Imaging" (links) und mit "Foveated Imaging" (rechts). Die oberen Abbildungen verwenden das geläufige Testbild "Lena", die unteren ein Sterntestbild von Siemens. (Bild: Simon Thiele, Kathrin Arzenbacher)

Scharfe Bilder mit winzigster Kamera: Aus vier Linsen haben deutsche Forscher eine Nanokamera mit hoher Sehschärfe gebaut. Sie ermöglicht viele Anwendungen – von Medizintechnik bis hin zu Insekten-Drohnen.

Das Adlerauge als Vorbild für eine Nanokamera: Stuttgarter Forscher haben eine aus vier Doppellinsen bestehende Mini-Kamera mit besonders hoher Sehschärfe im Zentrum des Sichtfeldes entwickelt. Mit einem an der Universität Stuttgart entwickelten 3D-Druckverfahren wird das Nanogerät direkt auf einen Bildsensor aufgebracht. Das Team um Alois Herkommer und Harald Gießen von der Universität Stuttgart stellt die Kamera in der Fachzeitschrift „Science Advances“ vor.

Viele Säugetiere haben Stellen auf der Netzhaut, mit denen sie besonders scharf sehen können. Menschen nutzen die Fovea centralis etwa beim Lesen. Auch Adler und andere Greifvögel haben Sehgruben (Foveae), mit denen sie etwa kleine Beutetiere wie Mäuse aus großer Höhe erspähen können. „Ähnlich profitieren auch technische Anwendungen wie Drohnenkameras, maschinelles Sehen, visuelle Sensoren autonomer Autos oder andere sich bewegende Systeme von einer höheren Auflösung im Zentrum ihres Sichtfeldes“, schreiben die Forscher.

Die Mini-Kamera besteht aus vier Doppellinsen nebeneinander, jede mit einer anderen Brennweite. Auf eine 35-Millimeter-Kamera übertragen, lägen die Brennweiten bei 31, 38, 60 und 123 Millimetern. Mit zunehmender Brennweite wird ein kleinerer Bildausschnitt fokussiert, der aber auf eine gleich große Fläche des Bildsensors übertragen wird. Damit steigt die Auflösung dieses Ausschnitts. Die vier Bilder der Kamera werden mit einer speziellen Software kombiniert: Das Bild mit der höchsten Auflösung in der Mitte, die anderen Aufnahmen als konzentrische Kreise weiter außen.

Eine weitere Besonderheit der Kamera ist ihre Herstellung. Nachdem die Doppellinsen per Computerprogramm gestaltet sind, werden sie per Zwei-Photonen-Lithografie dreidimensional gedruckt. Bei dem Verfahren sind zwei Photonen (Lichtteilchen) eines Laserstrahls notwendig, um einen zunächst flüssigen Kunststoff auszuhärten. Dies geschieht nur im Brennpunkt des Laserstrahls, der mit modernster Technik so präzise gesteuert werden kann, dass Strukturen im Bereich weniger Nanometer (Millionstel Millimetern) entstehen. Die nicht ausgehärteten Bereiche des Kunststoffs werden nach dem Druck entfernt.

Das Feld mit den vier Doppellinsen ist auf dem Bildsensor lediglich 300 mal 300 Mikrometer groß. Ansätze für eine Anwendung gibt es etwa in der Medizintechnik: Auf das Ende einer lichtleitenden Faser aufgebracht, könnte die Nanokamera zu einem sehr feinen Endoskop beitragen, sagte Herkommer der Deutschen Presse-Agentur. Auch für Drohnen, die nicht größer als Insekten seien, würden winzige Kamerasysteme benötigt. Es gebe aber Verbesserungsbedarf bei der Bildverarbeitung, etwa durch Verwendung besserer Algorithmen. Zudem hoffen die Forscher auf Bildsensoren mit noch höherer Auflösung: „Die Sensoren sind derzeit der limitierende Faktor des Systems“, betonte Herkommer.

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