Knipst farbige Bilder

Forscher entwickeln Mikrokamera in Salzkorn-Größe

(Bild: engineering.princeton.edu)

Wissenschaftler der Princeton University und der University of Washington in den USA habe eine ultrakompakte Kamera von der Größe eines groben Salzkorns entwickelt, die gestochen scharfe Bilder in Farbe erzeugen kann und damit den Aufnahmen einer 500.000 Mal größeren Linse einer klassischen Kamera in nichts nachstehen soll. Zum Einsatz kommen könnte die Mikrokamera eines Tages zur Erkennung von Krankheiten im menschlichen Körper, zudem ermögliche sie völlig neue Geräte, so die Universitäten in einer Mitteilung.

Während eine herkömmliche Kamera eine Reihe von gekrümmten Glas- oder Kunststofflinsen verwendet, um Lichtstrahlen zu fokussieren, basiert das neue optische System auf einer Technologie, die als Meta-Oberfläche bezeichnet wird und ähnlich wie ein Computerchip auf Siliziumnitrid-Basis leicht in großen Mengen zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Die nur einen halben Millimeter breite Meta-Oberfläche ist mit 1,6 Millionen zylindrischen Stiften bestückt, von denen jeder etwa die Größe des menschlichen HI-Virus hat und wie eine optische Antenne funktioniert. Um die gesamte optische Wellenfront korrekt zu formen, muss das Design der einzelnen Stifte variiert werden. Mithilfe von Algorithmen, die auf maschinellem Lernen basieren, werden die Interaktionen der Stifte mit dem Licht kombiniert, um die Bilder zu erzeugen.

Algorithmus hilft bei Bilderstellung
„Es war eine Herausforderung, diese kleinen Nanostrukturen so zu entwerfen und zu konfigurieren, dass sie das tun, was man will“, so Princeton-Doktorand Ethan Tseng, der die Studie mitleitete. „Für diese spezielle Aufgabe der Erfassung von RGB-Bildern mit großem Sichtfeld war bisher unklar, wie die Millionen von Nanostrukturen zusammen mit Nachbearbeitungsalgorithmen gestaltet werden können“.

(Bild: engineering.princeton.edu)

Shane Colburn, einer der Hauptautoren des Projekts, nahm sich dieser Herausforderung an, indem er einen Computersimulation entwickelte, um das Testen verschiedener Nanoantennenkonfigurationen zu automatisieren. Aufgrund der Anzahl der Antennen und der Komplexität ihrer Wechselwirkungen mit dem Licht könne diese Art der Simulation „enorme Mengen an Speicher und Zeit“ benötigen, so Colburn. Er entwickelte schließlich ein Modell, das die Fähigkeit der Meta-Oberfläche, Bilder zu erzeugen, mit ausreichender Genauigkeit simuliert.

Die Forscher verglichen die mit ihrem System erzeugten Bilder mit den Ergebnissen früherer vergleichbarer Kameras sowie mit Bildern, die mit einer herkömmlichen Verbundoptik aufgenommen wurden, die eine Reihe von sechs brechenden Linsen verwendet. Abgesehen von einer leichten Unschärfe an den Rändern des Bildes seien die Bilder der Nanokamera mit denen der herkömmlichen Linsenanordnung, die ein mehr als 500.000 Mal größeres Volumen hat, vergleichbar gewesen, hieß es.

Oberflächen als Kameras
Die Wissenschaftler wollen nun daran arbeiten, die Kamera selbst um weitere Berechnungsmöglichkeiten zu erweitern. Über die Optimierung der Bildqualität hinaus möchten sie Fähigkeiten zur Objekterkennung und andere Erfassungsmodalitäten hinzufügen, die für Medizin und Robotik relevant sind. Studienleiter Felix Heide kann sich auch vorstellen, “einzelne Oberflächen in Kameras mit ultrahoher Auflösung„ zu verwandeln, “sodass man nicht mehr drei Kameras auf der Rückseite des Mobiltelefons bräuchte, sondern seine gesamte Rückseite zu einer riesigen Kamera würde. Wir können uns völlig neue Wege vorstellen, um Geräte in der Zukunft zu bauen", sagte er.