Nanotechnologie: Kameralinse in Sandkorngröße liefert hochauflösende Bilder

Wissenschaftler:innen der Princeton University ist es gelungen, eine neue Kameralinse zu entwickeln, die lediglich einen halben Millimeter groß ist. Dank ihrer speziellen Metaoberfläche kann sie mit Kameralinsen mithalten, die ungefähr 500.000 Mal so groß sind. Aufgrund ihres Materials ist die Linse außerdem gut für die Massenproduktion geeignet.

Winzige Linse mit 1,6 Millionen Stäbchen

Optische Metaoberflächen können Licht nahezu unbegrenzt manipulieren. Sie bestehen aus einer nanostrukturierten Oberfläche mit winzigen Stäbchen und Löchern. Es gelang auch in der Vergangenheit bereits, aus diesen speziellen Oberflächen Kameras mit Meta-Linsen zu entwickeln. Bisher krankten diese Mini-Kameras allerdings daran, dass sie nur unscharfe oder stark verzerrte Bilder lieferten.

Forscher:innen rund um Ethan Tseng von der University Princeton haben das nun geändert. Sie entwickelten eine Meta-Linsen-Kamera, mit der hochauflösende Bilder aufgenommen werden können. Die Linse selber ist nur etwa einen halben Millimeter groß, und dennoch können die mit ihr aufgenommenen Fotos problemlos mit denen einer klassischen Objektiv-Kamera mithalten.

Lediglich 500 Mikrometer beträgt der Durchmesser der Linse. Auf ihrer Oberfläche befinden sich etwa 1,6 Millionen Stäbchen aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von 100 bis 290 Nanometern. Jedes dieser Stäbchen hat eine spezielle Geometrie. „Es war eine Herausforderung diese Mikrostrukturen so zu designen, dass sie das tun, was wir wollen„, so Tseng.

Ergebnisse vergleichbar mit herkömmlichen Kameras

Die Lichtstrahlen, die durch die Metastruktur der Linse gelangen, werden von dieser manipuliert und anschließend von einem Sensor erfasst. Der Algorithmus, der die Informationen dann zu einem Bild rekonstruiert, ist neben der Linsenstruktur der zweite Clou bei der Mini-Kamera. Die Forscher:innen haben ihn mit Hilfe maschinellen Lernens entwickelt. Durch die Hand-in-Hand-Entwicklung der Hard- und Software konnte das Team ein möglichst gutes Ergebnis gewährleisten. „Durch die Kombination zu einer Ende- zu-Ende-Entwicklung konnten wir gemeinsam die gesamte Bildverarbeitung optimieren. Das ist auch der Hauptunterschied zu bestehenden Methoden, die die Brennpunktgröße getrennt von der Rekonstruktionsmethode betrachtet haben„, erklären die Forscher:innen.

Um ihre Ergebnisse überprüfen zu können, haben die Wissenschaftler:innen anschließen Bilder, die sie mit der Meta-Linse aufgenommen haben, mit solchen herkömmlicher Kameras verglichen. Dabei stellten sie fest, dass keine der bisher entwickelten Meta-Optiken vergleichbare Kombinationen aus Bildqualität, niedriger Blendenzahl und großem Sichtfeld bieten können.

Industrielle Massenproduktion problemlos möglich

Außerdem stellten die Forscher fest, dass die Bildqualität ihrer Linse absolut vergleichbar mit der einer kommerziellen, schweren Verbundlinse ist. Dies ist insofern beeindruckend, als dass das Designvolumen bei der Meta-Linse etwa 500.000 Mal niedriger ist. Die neuentwickelte Linse hat die Blende 2 – dies entspricht auch bei herkömmlichen Spiegelreflexkameras dem oberen Qualitätssegment.

Dank des zur Konstruktion der Linse verwendeten Siliziumnitrids kann die Produktion auch von Maschinen übernommen werden, die normalerwese Computerchips aus Halbleitern herstellen. Diese Verfahren sind industriell bereits weit verbreitet, sodass die Forscher:innen davon ausgehen, dass die neue Meta-Linse kostengünstig und in großen Mengen produziert werden kann.

via Princeton University