Das Bild einer Frau ist links zu sehen und mehr oder weniger durchgehend verschwommen. Im rechten Bild hingegen wird es zum Zentrum hin schärfer.

„Bilder wie mit Adleraugen“

Das menschliche Auge sieht nicht alles im Blickfeld gleich scharf: Während das periphere Sehen verschwommene Bilder, und damit lediglich einen Eindruck von der Umgebung, liefert, ähnelt das Sehzentrum dem Teleobjektiv einer Fotokamera – die Bildmitte ist gestochen scharf. Wissenschaftler haben diese Art des Sehens nun in einer Miniaturkamera nachgebaut, deren optisches System weit weniger als einen Millimeter misst. Für ihren Prototypen druckten sie Linsen mithilfe eines 3D-Druckers direkt auf einen Kamerachip auf. Über ihre Ergebnisse berichtet die Gruppe im Fachmagazin „Science Advances“. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Wissenschaftler Harald Giessen von der Universität Stuttgart.

Welt der Physik: Auf welche Art und Weise sehen beispielsweise Menschen oder Raubtiere wie Adler?

Porträtfoto des Wissenschaftlers
Harald Giessen von der Universität Stuttgart

Harald Giessen: In der Mitte der Netzhaut befindet sich die Fovea, wo die Zäpfchendichte besonders groß ist. Ein Adler kann damit beispielsweise noch aus großer Höhe eine Maus erkennen. Die Auflösung und die Sehschärfe sind also in diesem zentralen Sehfeld am höchsten. Er kann aber auch ganz gut rechts und links sehen, ob sich beispielsweise ein Feind von der Seite nähert. Das ist das periphere Sehen. Bei Menschen ist das ganz ähnlich, auch wir sehen in der Mitte am schärfsten. Von der Seite erkennen wir zum Beispiel, ob sich jemand nähert, aber wir sehen keine Details.

Wie haben Sie diese Art des Sehens in Ihrer Minikamera umgesetzt?

Wir haben dieses sogenannte foveale Sehen durch 3D-Druck von verschiedenen Linsen auf einem einzigen Sensor nachgebildet. Die Linsen selbst sind im Durchmesser rund 100 bis 125 Mikrometer, also Tausendstel Millimeter, groß und bestehen aus einem Polymer. Inzwischen haben wir auch schon Linsen hergestellt, die einen halben Millimeter durchmessen. Der Vorteil dabei ist, dass sie dann noch mehr Pixel nutzen können und die Auflösung dadurch noch höher ist.

Wie funktioniert das genau?

Wir haben vier verschiedene Linsen hergestellt, vom Weitwinkel- über das Normal- bis hin zum Teleobjektiv. Sie unterschieden sich also in ihrer Brennweite und der Länge der Bauform. Diese Linsen werden direkt auf einen sogenannten CMOS-Chip aufgedruckt. Diese CMOS-Chips zur Lichtvermessung sind beispielsweise auch in Smartphones mit Kamera verbaut. Ein Computer liest den Chip aus und bekommt dadurch vier einzelne Bilder vom Weitwinkel- bis hin zum Telebild. In unserem Fall setzt er das ringförmig zu einem Bild zusammen. Beim Handy oder beim Smartphone könnte man also beispielsweise in ein Bild von einer Gruppe von Leuten hineinzoomen und es dann in der Mitte trotzdem noch stark vergrößern und die Gesichter klar erkennen. Man hätte also immer noch eine gute Auflösung, weil die Bildmitte ja gleichzeitig mit dem Teleobjektiv aufgenommen worden ist.

Wofür eignet sich diese Minikamera?

Links ist ein Chip abgebildet, auf dem verschiedene kleine, zylinderförmige Linsen aufgebracht sind. Rechts im Bild ist eine Detailaufnahme der Linsen. Sie sind unterschiedlich hoch.
Die Kamera besteht aus vier Linsen, die mit dem 3-Drucker hergestellt wurden.

Man könnte sie zum Beispiel bei einem Endoskop einsetzen, weil die Abstände im menschlichen Körper ja sehr klein sind. Aber sie eignet sich auch als Kamera für autonome Autos, die die Umgebung im Blick haben müssen, aber gleichzeitig eine gute Sicht nach vorne brauchen. Sie können die Minikamera prinzipiell auch in ein Smartphone packen. In neueren Smartphones sind inzwischen manchmal zwei Kameras verbaut – eine für Tele- und die andere für Weitwinkelaufnahmen. Derzeit sind diese aber noch relativ groß und nehmen viel Platz weg. Unsere Kamera hingegen ist nur einen Quadratmillimeter groß. Dafür ist ihr Auflösungsvermögen aber nicht so gut wie bei größeren Kameras.

Was sind für Sie die nächsten Schritte in der Forschung an der Minikamera?

Im Moment dauert es noch relativ lange, die Linsen auf den Chip aufzudrucken. Wir wollen auch mehrere Materialien kombinieren, um beispielsweise die chromatische Aberration, also Farbfehler, zu korrigieren. Eine andere Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie groß wir die Linsen drucken können und sie dabei trotzdem noch fehlerfrei funktionieren.