Image: Optische Sensoren als elektronische AdleraugenFERCHAUFERCHAU
Trend3D-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!