Bionik für flache Kameras Elektronisches Insektenauge

Smartphone-Kameras mit  widersprechenden Kunden-Forderungen sind zu lösen.
Vorbild Insektenauge: Auch Kameras können nach dem gleichen Prinzip arbeiten.

Von Smartphone-Kameras werden gute Bilder bei möglichst flacher Bauform erwartet – zwei sich widersprechende Forderungen. Einen Ausweg liefert das Vorbild Natur: Die Bildaufnahme mit vielen kleinen Linsen statt mit einer großen.

Die Zahl der Megapixel als Maß für die Bildqualität zu verwenden, ist nur bedingt richtig. Denn die gesamte Optik muss entsprechend mitspielen. Je kleiner man die Kamera konstruiert, desto schlechter wird naturgemäß das Bild, weil die Lichtwellenlänge physikalische Grenzen setzt: Die Beugungseffekte ruinieren die Schärfe [1]. Noch dazu verschlechtert sich bei CMOS-Bildsensoren mit abnehmender Pixelgröße der Signal/Rausch-Abstand, vor allem bei niedriger Beleuchtungsstärke. In dem Fall sind noch so viele Megapixel nutzlos. Mittels aufwendiger Software lässt sich das Bild noch etwas nachbessern, aber die Möglichkeiten dazu sind eng begrenzt.

Praktisch lässt sich mit Pixelgrößen unter 1 µm nicht mehr arbeiten. Damit lässt sich das wichtige Verkaufsargument höhere Auflösung nur noch mit einem größeren Chip erreichen. Der erfordert aber eine größere Brennweite der Linse, und damit wird das Smartphone zwangsläufig dicker. Schon jetzt haben viele Smartphones dafür eine – nicht unbedingt beliebte – Ausbeulung.

Viele Objektive statt eines

Es heißt, die Physik sei nicht zu überlisten. Aber mit einem grundsätzlich anderen Ansatz lassen sich dennoch deutliche Verbesserungen erzielen – in Form einer Verringerung der Bauhöhe ohne Abstriche bei der Bildqualität. Der Prototyp einer am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena (IOF, www.iof.fraunhofer.de) entwickelten Mikrokamera hat jetzt nur noch 2 mm Einbautiefe und dennoch eine Auflösung von 1280 × 720 Pixeln.

Die Grundidee: Ein Aufbau nicht mehr wie beim Auge von Menschen und Wirbeltieren, sondern wie bei einem Insektenauge. Diese haben bekanntlich Facetten, bestehend aus zahllosen kleinen Einzelaugen mit sehr engem Sichtwinkel. Jedes nimmt einen kleinen Teilausschnitt der Umgebung wahr, das Gehirn setzt dann alle zum Gesamtbild zusammen. Dieses Prinzip haben die Fraunhofer-Forscher auf die Kameratechnik übertragen.

Die ersten Ansätze dafür liegen bereits viele Jahre zurück, die Elektronik hatte 2004 darüber berichtet [2]. Damals war über dem Bildsensor eine Platte mit Mikrolinsen montiert: zu jedem Pixel eine, aber im Raster etwas größer als das Pixelraster, sodass die Richtwirkungen alle auseinanderstreben. Zur Verhinderung von optischem Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen waren Trennwände eingesetzt. Eine derartige Kamera ließ sich mit einer Dicke von nur 0,3 mm aufbauen. Sie hat ansatzweise funktioniert, war aber letztlich bezüglich Bildschärfe und Auflösung nicht gut genug, weshalb sie nie in Serienproduktion ging.

Die Entwicklung ist seitdem aber nicht stehen geblieben. Das ursprüngliche Konzept hat in der Zwischenzeit eine ganze Reihe von weiteren Stadien durchlaufen und wurde dabei ganz wesentlich verfeinert. Der jetzt vorliegende Prototyp, genannt „eCLEY 720p“ (Electronic Cluster Eye), ist um Klassen besser als der damalige und dürfte reale Vermarktungschancen haben.

Nachdem sich eine gleich große Anzahl von Pixeln und Mikrolinsen als nicht sinnvoll herausgestellt hatte, ist die aktuelle Version eine Hybridform zwischen der ersten Facettenaugenkamera und einer Standardkamera. Die Zahl der Mikrolinsen ist deutlich kleiner als die der Pixel. Der Entwickler hat einige Designfreiheiten; für optimal befunden wurde zunächst ein 7,5 × 4,5 mm² großes Array mit 15 × 9 Linsen objektseitig und mit einem Mittenabstand von 0,5 mm. Jede bildet einen engen Ausschnitt des Gesamtbildes auf dem Bildsensor-Chip ab – entsprechend einem Raumwinkel von 13 Grad (Bild 1). Es entstehen 135 kreisförmige Einzelbilder mit einem Durchmesser von je 300 µm, entsprechend etwa 100 × 100 Pixeln, in einigem Abstand voneinander, um eine Überdeckung zu vermeiden (Bild 2).