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Bildverarbeitung Vorbild Insektenauge: Neues Minikamera-Konzept

| Redakteur: Beate Christmann

Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren zur Massenherstellung von ultradünnen Kameramodulen entwickelt. Die Minikamera, deren Linse eine Facettentechnik aufweist, hat aktuell eine Dicke von nur 2 mm bei einer Auflösung von 1 Megapixel.

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Der erste Prototyp der neuen Technik des Fraunhofer-IOF überträgt die Bilder der Kamera noch via Bluetooth über eine Sendebox an das Smartphone.
Der erste Prototyp der neuen Technik des Fraunhofer-IOF überträgt die Bilder der Kamera noch via Bluetooth über eine Sendebox an das Smartphone.
(Bild: Fraunhofer-IOF)

Fast jeder Besitzer eines Smartphones kennt das Phänomen: Dort, wo die Kamera des Gerätes sitzt, ragt sie aus dem ansonsten flachen Gehäuse heraus. Die Minikamera-Module sind heute üblicherweise 7 mm dick, um das Umgebungsbild noch zufriedenstellend scharf darstellen zu können. Damit sind sie allerdings dicker als das übrige Mobiltelefon, was den unästhetischen, unter Herstellern sogenannten „Camerabump“ (deutsch.: Kamerabeule) zur Folge hat und das Design von superdünnen Smartphones erschwert.

Flachere Kameras bei gleichbleibender Bildqualität

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena haben nun eine Technik entwickelt, die es ermöglichen soll, flachere Kameras bei gleichbleibender Bildqualität zu bauen: Facet-Vision haben sie ihr neues Minikamera-Konzept genannt, das dem gleichnamigen Forschungsprojekt entsprungen ist und aktuell bei einer Dicke von nur 2 mm eine Auflösung von 1 Megapixel erzielt.

Orientiert haben sich die Wissenschaftler an einem Vorbild aus der Natur: Die Linse des Kameramoduls besteht – ähnlich einem Insektenauge – aus vielen kleinen gleichförmigen Linsen. Sie sitzen wie Stücke eines Mosaiks dicht nebeneinander. Jede Facette nimmt nur einen Teilausschnitt der Umgebung wahr. Im Insektengehirn werden dann die vielen Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. In der neu entwickelten Kamera übernehmen Mikrolinsen- und Blenden-Arrays diese Funktion. Durch den Versatz jeder Linse zu der ihr zugeordneten Blende erhält jeder optische Kanal eine individuelle Blickrichtung und bildet stets einen anderen Bereich des Gesichtsfelds ab.

Potenzial noch nicht voll ausgeschöpft

„Zukünftig erreichen wir mit dieser Facettentechnik bei einer Kameradicke von 2 mm eine Auflösung von 4 Megapixel, was einer deutlich höheren Auflösung als bei Kameras in der Industrie, etwa in der Robotik oder Automobilproduktion, entspricht“, zeigt Andreas Brückner, Projektleiter am Fraunhofer-IOF, das Potenzial der Neuentwicklung auf. Die Technik wurde gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen entwickelt und von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung gefördert.

Die Mikrooptik der Fraunhofer-Forscher soll sich in großer Zahl kostengünstig produzieren lassen – durch Verfahren ähnlich jenen, die in der Halbleiterchip-Industrie üblich sind. Computerchips werden in Massen auf Wafern, auf großen Halbleiterscheiben, gefertigt und anschließend durch Sägen voneinander getrennt. Entsprechend sollen auch die Facet-Vision-Kameraoptiken am Fraunhofer-IOF in Tausender-Stückzahl parallel gefertigt werden können.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Damit sehen die Wissenschaftler eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten für die Minikameras. „In Druckereien zum Beispiel benötigt man solche Kameras, um bei laufenden Maschinen in hoher Auflösung das Druckbild zu überprüfen“, erklärt Brückner. Er und sein Entwicklerteam sehen Anwendungsfelder auch in der Medizintechnik für optische Sensoren, mit denen man Blut untersuchen kann, in Kameras an Autos, die beim Einparken helfen, oder in Industrierobotern, die verhindern, dass die Maschinen mit Menschen kollidieren.

Auch das Design von Smartphones ließe sich künftig verändern. Deren Kameraoptiken werden jedoch nicht auf Wafern, sondern im Kunststoff-Spritzguss gefertigt. Bei diesem Verfahren wird heißer, flüssiger Kunststoff wie bei einem Waffeleisen in die Form gebracht. Roboter setzen die fertigen Linsen dann in die Smartphone-Kamera ein. „Wir möchten das Insektenaugenprinzip auch in diese Produktionstechnik überführen“, zeigt Brückner die nächsten Entwicklungsschritte auf. „Es ist zum Beispiel denkbar, dass wir mehrere kleine Linsen nebeneinander in der Smartphone-Kamera platzieren. So ließe sich der Facet­teneffekt auch im Spritzguss realisieren. Auflösungen von mehr als 10 Megapixeln bei einer Kameradicke von nur etwa 3,5 mm wären dann möglich.“

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