Elektronische Adleraugen sind das Vorbild für neue optische Sensoren
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3D-Druck

Optische Sensoren als elektronische Adleraugen

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben neue optische Sensoren im 3D-Druck-Verfahren hergestellt: Sie bilden die Eigenschaften eines Adlerauges auf mikroskopisch kleiner Fläche nach. Endoskopische Aufnahmen könnten dadurch wesentlich detailreicher und schärfer als bisher werden.

06. Juli 2017

Kaum zu glauben: Das Volumen eines durchschnittlichen Wassertropfens ist rund 8.000 Mal größer als eine Linse des neuen elektronischen Adlerauges, das einen hochauflösenden „Superblick“ ermöglicht.

Die Adler-Optik könnte in naher Zukunft den Smartphone-Markt erobern oder in Kamerasystemen für autonome Fahrzeuge die Verkehrslage beobachten. Forscher der Universität Stuttgart haben dafür einen Satz aus vier Mikro-Objektivlinsen direkt auf einen hochauflösenden CMOS-Chip gedruckt. In jeder handelsüblichen Digitalkamera wird so ein lichtempfindlicher Chip als Filmersatz verwendet.

Die kleinste Linse des Adlerauges hat die Äquivalenzbrennweite eines Weitwinkels von 31 Millimeter. Dann folgen zwei Linsen mit einem mittleren Sichtfeld; die größte Linse besitzt 123 Millimeter Brennweite – wie ein typisches Teleobjektiv. Damit erhalten die Wissenschaftler gleichzeitig vier Bilder. Eine Software fügt diese Einzelaufnahmen zu einem Bild zusammen, in das man dann ohne Schärfeverlust hineinzoomen kann.

Passgenaue Photonen

Das Linsenmaterial besteht aus einem Fotolack, der unter UV-Licht härtet, eigentlich aber transparent und zähflüssig wie Honig ist. Der 3D-Drucker stellt die Linsen mithilfe der so genannten Zwei-Photonen-Polymerisation passgenau direkt auf dem CMOS-Chip her. Bei diesem Verfahren werden jeweils zwei Leichtteilchen (Photonen) aus einem ultrakurzen Laserpuls im Lack absorbiert; mit der Folge, dass das Material nur an dieser Stelle aushärtet. So werden Schicht um Schicht – photonengenau – die Linsenstrukturen geschrieben.

„Unsere einzelnen Lagen sind nur einen Bruchteil der Lichtwellenlänge dick“, erklärt Simon Thiele, Wissenschaftler am Institut für Technische Optik an der Universität Stuttgart. Der 3D-Druck für das komplette System mit den vier Linsen dauert etwa sechs Stunden. An diesem anspruchsvollen Verfahren haben die Wissenschaftler des sogenannten 4. Physikalischen Instituts insgesamt sechs Jahre geforscht. Eine weitere Besonderheit: Zwischen Chip und Linsensystem liegt keine zusätzliche Klebemasse, sondern es haftet stabil und unmittelbar auf dem Chip.

Gelber Stich und wenig Pixel

Jedes Miniobjektiv besteht aus zwei übereinander liegenden Linsen. Deren Oberflächen sind nicht nur einfach halbkugelförmig, sondern folgen dem Verlauf komplexer mathematischer Polynome. Und das auf engsten Raum: Ein Zylinder mit den beiden Linsen misst im Durchmesser nur 120 Mikrometer und in der Höhe maximal 200 Mikrometer vom Chipboden – kaum mehr als zwei Blatt Kopierpapier. Mit diesen Werten erreichen die Wissenschaftler eine Auflösung pro Bild von 70x70 Pixel. „Wenn wir alle vier Teilbilder zusammensetzen, steigt dieser Wert zwar, aber nicht direkt auf das Vierfache, da wir nicht alle Pixel verwerten können“, sagt Thiele.

Im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums bleibt das Linsensystem weitestgehend durchlässig, hinterlässt jedoch einen leichten Gelbstich in den Aufnahmen. „Dieser Gelbstich lässt sich aber digital kompensieren und stört deshalb auch nicht weiter“, sagt Ingenieur Thiele. Unterhalb des Wellenlängenbereiches von 400 bis 450 Nanometer (violettes Licht) funktioniert das Minizoom allerdings nicht mehr. Ansonsten sind sie aber robust: Die Stuttgarter Wissenschaftler haben ähnliche Linsensysteme schon Temperaturen zwischen minus 256 Grad Celsius bis plus 200 Grad ausgesetzt, was die Linsen unbeschadet überstanden haben.

Das Material darf nicht schrumpfen

Während des gesamten Fertigungsprozesses müssen die Wissenschaftler darauf achten, dass das Linsenmaterial im Aushärtungsprozess nicht schrumpft und es unbedingt formstabil bleibt. Sonst wären die produzierten optischen Bilder verzerrt bis gar nicht mehr vorhanden.

Zudem muss in den Reinigungsstufen des 3D-Drucks der übrig gebliebene und noch zähflüssige Lack weggespült werden. Der dafür verwendete „Entwickler“ darf nun die Linsenoberflächen weder chemisch angreifen noch zerkratzen oder gar aufquellen lassen. Auch dann wäre die Linse nur noch sehr teurer Kunststoffmüll. Die komplizierte Stuttgarter Druck-Methode hat aber den Vorteil, dass der sonst übliche 3D-Treppenstufen-Effekt stark verwischt wird.

Fast runde Oberflächen sind für die optischen Eigenschaften unserer Linsen sehr wichtig.“ Simon Thiele

Gut geeignet für nahe Objekte

Die extrem kleine Linsenöffnung von gut 100 Mikrometern fängt nur sehr wenig Licht ein. Daher braucht es für die endoskopischen Aufnahmen sehr viel Umgebungslicht, um ein Objekt detailreich abbilden zu können. Je weiter entfernt das Objekt von den Linsen ist, desto weniger Reflexionslicht fällt davon auf den empfindlichen Chip. Darum ist das Minizoom auch nur ein Adlerauge für sehr nahe Objekte.

Ziel der Forschungsarbeiten ist es deshalb, weitere Linsensysteme mit Zylinderdurchmessern von bis zu einem Millimeter zu konstruieren. 800-Mikrometer-Linsen wurden mit diesem Verfahren bereits gedruckt. Mit größeren Linsen wachsen bislang allerdings auch die Probleme: Von der Bauart abhängige Linsenfehler skalieren mit den Linsenabmessungen; es werden dann noch mehr Korrekturlinsen benötigt. Insgesamt wird das Material dicker, was noch mehr Absorption durch den Gelbstich und weniger Licht für den Chip bedeutet. Zudem vervielfacht sich die Druckgeschwindigkeit für die größeren Linsen dementsprechend. Die Stuttgarter Forscher sind aber überzeugt, dass sie diese Probleme bald in den Griff kriegen. Adlerauge, sei wachsam!