Bildgebung: US-Team entwickelt Mikrokamera mit 0,5 mm großer Metaoptik

Bisher ließen sich Kameras nicht beliebig verkleinern. Einem Team von zwei Universitäten in den USA ist ein Durchbruch gelungen: Es hat eine Kamera mit der Größe eines großen Salzkorns entwickelt, die unter normalen Bedingungen hochwertige Bilder aufnimmt.

Der limitierende Faktor ist das optische System: Eine herkömmliche Kamera nutzt dafür Linsen aus Glas oder Kunststoff, die eine gewisse Größe haben. Das Team von der Princeton University und der University of Washington in Seattle hingegen setzt eine Metaoberfläche dafür ein, Lichtstrahlen zu fokussieren.

Das System besteht aus 1,6 Millionen mikroskopisch kleinen zylindrischen Stiften. Jeder Stift hat eine einzigartige Form, um das gesamte optische Spektrum korrekt abzubilden. Die ganze Stiftanordnung ist etwa einen halben Millimeter breit und kann ähnlich wie ein Computerchip hergestellt werden.

Die Ränder sind leicht unscharf

Um aus den Daten der optischen Antennen ein Bild zu erzeugen, hat das Team um Studienleiter Felix Heide eigene Signalverarbeitungsalgorithmen entwickelt, die auf maschinellem Lernen basieren. Die Kombination aus integriertem Design der optischen Oberfläche und den Algorithmen ermögliche eine Abbildungsqualität, die der einen großen Kamera gleichkommt. Lediglich an den Bildrändern gebe es eine leichte Unschärfe.

Die hochwertigen Bilder erzeugt die Kamera unter natürlichen Lichtbedingungen, wie Heide betont. Frühere Kameras mit einer Metaoberfläche hätten das nur unter Laborbedingungen geschafft, oder sie wiesen Fehler auf wie starke Bildverzerrungen, ein kleines Sichtfeld oder ein eingeschränktes Farbspektrum.

"Die Herausforderung war, diese kleinen Nanostrukturen so zu designen und zu konfigurieren, dass sie das machen, was man will", sagte Projektmitarbeiter Ethan Tseng. "Vorher war nicht klar, wie die Millionen von Nanostrukturen zusammen mit Nachbearbeitungs-Algorithmen gestaltet werden können, um RGB-Bilder mit großem Sichtfeld zu erfassen."

Das Team hat die Entwicklung in der Fachzeitschrift Nature Communications beschrieben. Mögliche Anwendungen sieht es in der Medizin oder in der Robotik: Kameras mit der Metaoberfläche könnten als optische Sensoren für Mikroroboter genutzt werden. Heide hält es zudem für möglich, damit Oberflächen zu Sensoren zu machen. "Wir könnten einzelne Oberflächen in Kameras mit ultrahoher Auflösung verwandeln, so dass man nicht mehr drei Kameras auf der Rückseite des Telefons bräuchte", sagte er. Stattdessen werde die gesamte Rückseite des Telefons zu einer Kamera.