Linsen aus Metamaterial komprimieren Bilder direkt bei der Aufnahme

Durham (USA) – Spezielle Linsen aus Tarnkappenmaterial können ein Bild schon direkt bei der Aufnahme stark komprimieren, ohne dass wichtige Informationen verloren gehen. So erreichten Forscher in ersten Laborversuchen Kompressionsraten von 40:1, wodurch sich sowohl die Aufnahmezeiten als auch das zu speichernde Datenvolumen stark verringerten. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Science“ berichten, stellt dieses Verfahren Software gestützte Methoden wie die Umwandlung in das weit verbreitete jpeg-Format weit in den Schatten. Für Digitalkameras, die so auf einem einzigen Gigabytedatenchip mehrere zehntausend Bildern speichern könnten, ist es allerdings noch zu früh. Die ersten Speziallinsen arbeiten im Frequenzbereich von Radarwellen und könnten die Aufnahmekapazität von Weltraumkameras drastisch erhöhen.

Kupferfarbener Metallstreifen mit Enprägungen auf einem hellen Untergrundmaterial.
Metallstruktur für Metamaterial

„Diese Kompression geschieht bereits während der physikalischen Bildaufnahme“, erklären John Hunt und seine Kollegen von der Duke University im US-amerikanischen Durham. Der Prototyp ihrer Kamera verzichtete dazu auf klassische Linsen. Stattdessen trafen die Millimeterwellen von einem Objekt auf ein Metamaterial, das aus vielen symmetrisch angeordneten, metallischen Ringstrukturen bestand. Solche Metamaterialien werden bisher für den Bau von Tarnkappen genutzt, dienten hier aber als spezieller Wellenleiter. Das Ursprungssignal im Frequenzbereich zwischen 18,5 und 25 Gigahertz wurde dabei so umgewandelt, dass unter Beachtung von Wellenphase und -amplitude ein stark reduziertes Wellenbild entstand. Dieses konnte von einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden und benötigte nur ein Vierzigstel an Speicherplatz im Vergleich zu bisher genutzten Detektoren für diesen Frequenzbereich

Eine spätere Analyse der stark komprimierten Bilddaten zeigte, dass sich die Position von zwei Testobjekten, an denen die Millimeterwellen streuten, genau rekonstruieren ließ. Da jede einzelne Aufnahme zudem sehr schnell binnen einer Zehntelsekunde geschossen und gespeichert werden konnte, ließen sich auch ganze Sequenzen eines sich bewegenden Objekts verfolgen. Das ist besonders für Astronomen interessant, deren Millimeterwellendetektoren bisher nur die Aufnahme einzelner Schnappschüsse und keiner Videosquenzen erlaubten.

Je nach Struktur der genutzten Linsen aus Metamaterial lässt sich diese physikalische Kompression von Bilddaten auf andere Wellenlängenbereiche ausweiten. Im Fokus stehen dabei Mikrowellen und Terahertzstrahlung. Im sichtbaren Spektralbereich sind solche Kompressionlinsen zwar auch vorstellbar. Doch müssten dazu erst extrem fein strukturierte Metamaterial geschaffen werden. Ob und wann dieser Schritt für das gesamte, sichtbare Spektrum von Rot bis Violett funktioniert und damit interessant für normale Digitalkameras werden könnte, lässt sich heute noch nicht absehen.