Facettenkamera mit Insektenauge

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Minikameras stecken nicht nur in Milliarden von Smartphones, sondern mittlerweile auch in einer Unmenge anderer moderner Geräte. Gegen eine weitere „Verzwergung“ sperrt sich allerdings die Physik der Objektive. Abhilfe schafft ein uraltes Prinzip aus der Natur.

In der „optischen“ Welthauptstadt Jena tut sich wieder einiges. Wo 1870 der Physiker Ernst Abbe erstmals Optiken für Mikroskope präzise berechnete, schlug neben Zeiss, Jenoptik und SCHOTT auch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) sein Domizil auf. Hier am Stadtrand von Jena hat man sich ganz den künstlichen Augen verschrieben. Und für die dient seit längerem nicht mehr nur der menschliche Sehapparat als Blaupause.

Während da nämlich klassisch das Bildmotiv durch eine einzige gebogene Linse „geht“, experimentieren die Fraunhofer-Forscher schon seit über zehn Jahren mit einer ganzen Reihe von sandkorngroßen Linsen, die immer nur einen bestimmten, kleinen Bildausschnitt liefern. Die Software sorgt dann für den Gesamteindruck.

Die Facettenkamera der Fruchtfliege

Eines der Vorbilder dazu liefert das beliebteste “Arbeitstier“ der Biomedizin – die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Bei einer Gesamtlänge von nur drei Millimetern bleibt für das Auge nicht viel Platz. Die Lösung: Viele winzige Linsen mit im einfachsten Fall jeweils einem „Sensor“ dahinter. Die Vorteile: unschlagbar klein, großes Blickfeld und hohe Bewegungsschärfe. Die Auflösung ist allerdings der Schwachpunkt der Anordnung. Die Natur hat dieses Problem in ein paar Millionen Jahren gelöst: mehr Linsen – höhere Auflösung. So bekommen etwa Libellen mit 28.000 Einzelaugen schon ein ganz guten Eindruck von der Umgebung.

Nicht ganz so lange brauchte man beim Fraunhofer IOF. 2004 brachte es ein 0,4 Millimeter dünner Prototyp gerade einmal auf eine Auflösung von 60 x 60 Bildpunkten. Jetzt dringt die neue zwei Millimeter dünne facetVISION-Kamera schon in den Megapixel-Bereich vor. Dazu steckt hinter jeder der 135 Mikrolinsen jeweils ein Sensor mit 100×100 Einzelpixeln. Durch den Versatz jeder Linse zu der ihr zugeordneten Blende erhält jeder optische Kanal eine individuelle Blickrichtung und bildet stets einen anderen Bereich des Gesichtsfelds ab. Damit sind die Chips nur halb so dick wie herkömmliche Smartphone-Kameras und haben keine beweglichen Teile. Das macht sie schnell, robust und stromsparend – zukünftig mit Auflösungen von bis zu vier Megapixeln. Deutlich mehr als aktuell bei Kameras in der Robotik oder Automobilproduktion.

Angepasstes Grundprinzip für Smartphones

Für die Facettenkamera spricht auch das kostengünstige Herstellungsverfahren – ähnlich jenem, das in der Halbleiter-Industrie üblich ist. Sollen die Insektenaugen allerdings die Smartphones erobern, sind einige Anpassungen notwendig. Denn diese Kameraoptiken werden in Kunststoff-Spritzguss gefertigt. Eine Lösung wäre, mehrere kleine Linsen nebeneinander in der Smartphone-Kamera zu platzieren. Auflösungen von mehr als 10 Megapixel bei einer Kameradicke von nur dreieinhalb Millimetern könnten so realisiert werden, bei fünf Millimetern Dicke sogar 20 Megapixel. Und die Kamera-Beule („Camera-bump“) bei ultradünnen Smartphones gehörte der Vergangenheit an.

 

Noch können sich die künstlichen Insektenaugen nicht mit den Auflösungen aktueller Smartphone-Kameras messen. Es ist allerdings eine Menge passiert in den letzten 10 Jahren. Die Technik wird beherrscht, die Produktion bewegt sich in einem wirtschaftlichen Rahmen und die Vorteile sind offensichtlich. Was denken Sie, wird man die Facettenkamera schon bald in Smartphones finden?

 

Facettenauge (Bild: University of Illinois / Beckman Institute).

Die Facettenkamera der University of Illinois in Urbana-Campaign besteht aus 180 einzelnen, in Form einer Halbkugel angeordneten Lichtsensoren. (Bild: University of Illinois / Beckman Institute).