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Mikrokamera aus 3D-Drucker : Wenn Roboter mit Adleraugen sehen

Das selbstfahrende Auto von Goolge hat die Überwachungskamera auf dem Dach. Bild: dpa

Die Natur stand Pate für eine ungewöhnliche Kamera aus der Stuttgarter Ideenschmiede. Sie sieht so scharf wie ein Adlerauge und behält dabei den Rundumblick. Ideale Voraussetzungen für Robotik und autonomes Fahren.

          Sollen selbstfahrende Autos eines Tages die Anforderungen im Straßenverkehr meistern können, brauchen sie nicht nur jede Menge künstliche Intelligenz, sondern auch Kameras, die wie Adleraugen das Geschehen ringsherum erfassen. Solche Kameras müssen eine möglichst gute Sicht nach vorne besitzen, um den Abstand zu vorausfahrenden Autos einschätzen und Hindernisse rechtzeitig erkennen zu können. Gleichzeitig müssen sie stets ihre Umgebung im Blick haben für den Fall, dass plötzlich Gefahr von der Seite droht.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Bisher behilft man sich mit optischen Sensoren rings um das Fahrzeug oder einer rotierenden Kamera auf dem Dach, die zwar in alle Richtungen gleichermaßen schaut, aber nie alle Vorgänge zugleich überwachen kann. Beides keine befriedigenden Lösungen. Eine Kamera, die für autonomes Fahren wie gemacht zu sein scheint, präsentieren nun Wissenschaftler von der Universität Stuttgart. Wie Simon Thiele und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science Advances“ berichten, arbeitet der optische Sensor ähnlich wie ein Adlerauge.

          Optik aus dem 3D-Drucker

          Die Fähigkeit von Greifvögeln, eine Maus noch aus großer Höhe erspähen zu können, liegt an der hohen Dichte von Sehzellen in der Fovea centralis, einer Einbuchtung im Zentrum des gelben Flecks, also dort wo man am schärfsten sieht. Zusätzlich haben die Greifvögel eine zweite Fovea am Augenrand, die dafür sorgt, dass außerdem alles wahrgenommen wird, was sich seitlich von der optischen Achse abspielt. Foveales und peripheres Sehen technisch nachzubilden ist keine leichte Aufgabe. Üblicherweise verschaltet man dafür eine Reihe von Sensoren, die Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten und Sichtfeldern besitzen.

          Die winzige Kamera aus Stuttgart sieht dank ihren unterschiedlichen Linsen fast so gut wie ein Adlerauge. Hier im Größenvergleich zu einer 2 Cent Münze Bilderstrecke
          Die winzige Kamera aus Stuttgart sieht dank ihren unterschiedlichen Linsen fast so gut wie ein Adlerauge. Hier im Größenvergleich zu einer 2 Cent Münze :

          Dass es auch etwas einfacher geht, haben nun die Forscher um Thiele gezeigt. Sie druckten vier Linsen - die größten maßen mehrere hundert Mikrometer - mit unterschiedlichen Brennweiten auf einen Halbleiter-Chip, wie er typischerweise in Digitalkameras verwendet wird. Jede Linse wurde in einem Guss direkt auf dem Chip gefertigt, mit Hilfe des 3D-Druck-Verfahrens.

          Mit dieser Technik war es Forschern um Timo Gissibl - ein Kollege von Simon Thiele - im vergangenen Jahr gelungen, Miniaturoptiken in unterschiedlichen Formen und verschiedenen Brennweiten herzustellen. Ein gepulster roter Laserstrahl belichtet einen flüssigen Fotolack, der an jenen Stellen aushärtet, an denen der Brennpunkt des Strahls auftrifft. Dort ist die Laserenergie so groß, dass chemische Reaktionen ausgelöst werden, die zur Verfestigung des Materials führen. Wo überall der Laserstrahl den Fotolack belichtet, wird über einen Computer gesteuert, mit dem zuvor ein dreidimensionales Modell der Linse entworfen wurde. Nach dem Belichten wird der noch flüssige Fotolack in einem Entwicklerbad entfernt. Das Ergebnis ist eine mikrometergroße Linse.

          Überzeugende Testbilder 

          Statt auf einer Glasunterlage oder ans Ende einer Glasfaser wie im vergangenen Jahr hat man die Linsen nun in Vierergruppen auf einen Kamerachip gedruckt. Die kleinste Linse hat die Brennweite eines Weitwinkelobjektivs, zwei Linsen besitzen fast normale Brennweiten, aber unterschiedliche Sichtfelder. Die größte Optik hat die Eigenschaft eines Teleobjektivs, verfügt also über eine lange Brennweite und ein recht kleines Sichtfeld. Die ersten Testbilder des elektronischen Adlerauges, das die Forscher von verschiedenen Objekten machten, können sich bereits sehen lassen. Das vom Teleobjektiv aufgenommene Bild erscheint mit der größten Schärfe im Zentrum. Dann folgen zwei weniger scharfe ringförmige Bereiche. Sie stammen von den Linsen mit mittleren Brennweiten. Ganz außen ist das Bild des Weitwinkelobjektivs zu sehen.

          Einige Stunden hat nach Aussagen der Forscher derzeit die Herstellung der nur wenige Millimeter großen Kamera in Anspruch genommen - viel zu lange für die Massenfertigung und breite Anwendungen des Sensors. Der Bedarf an dem künstlichen Adlerauge dürfte bereits groß sein: Neben dem autonomen Fahren, könnten vor allem Robotik, die Endoskopie und Smartphones von der Innovation aus Stuttgart profitieren. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler um Thiele Linsenfehler beseitigen und ihrem Adlerauge dadurch zu noch mehr Schärfe verhelfen.

          Quelle: F.A.Z.

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