Bildsensoren CMOS-Sensoren und Mikrolinsen machen 3-D-Blick ins Körperinnere möglich

Fraunhofer-Forscher können mit CMOS-Bildsensoren und speziellen Mikrolinsen in den menschlichen Körper blicken. Mit diesem System sollen künftig chirurgische Eingriffe präziser erfolgen.

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Ein Chirurg ist darauf angewiesen, präzise in das Innere des menschlichen Körpers vorzudringen. Dank moderner Endoskope ist es möglich, auf große Schnitte zu verzichten.

Dabei hilft eine 3-D-Optik und ein spezieller Bildsensor, der einen perfekten Tiefeneindruck des Körperinneren ermöglicht.

Den perfekten 3-D-Blick ins Köprerinnere haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg zusammen mit den Projektpartnern im EU-Projekt »Minisurg« entwickelt.

CMOS-Bildsensoren wie in Spiegelreflexkameras

Während bisher nur CCD-Bildsensoren mit einer geringen Auflösung zur Verfügung standen, ist es jetzt den Wissenschaftlern gelungen, CMOS-Bildsensoren, die beispielsweise auch in Spiegelreflexkameras verbaut sind, für diese Spezialanwendung tauglich zu machen.

Dazu haben die Forscher spezielle Mikrolinsen entwickelt. Über jeweils zwei Spalten des Sensors, auf denen die Pixel angeordnet sind, ist eine zylindrische Mikrolinse angebracht. Über ein davorliegendes Objektiv fällt das Licht auf die Linsen, die es auf die Pixel bündeln.

Die Besonderheit dabei ist, dass das Objektiv zwei Blendenöffnungen hat. Diese funktionieren ähnlich wie das rechte und das linke Auge.

Stereoskopie beim CMOS-Sensor

Mit anderen Worten: Zwei Lichtstrahlen fallen auf die Linsen. Das Licht des »linken Auges« fällt von links ein und wird auf die rechte Sensorspalte gebündelt, und umgekehrt. Unterhalb der Linsen kreuzen sich die beiden Lichtstrahlen.

Das Ergebnis: Wie das Gehirn die Daten vom linken und rechten Auge verarbeitet, erhält der CMOS-Sensor zwei verschiedene Bildinformationen. Eine Software rechnet diese auseinander und verarbeitet sie getrennt. Je nach System bekommt der Arzt dann den dreidimensionalen Eindruck direkt auf dem Bildschirm zu sehen, oder aber er nutzt eine Polarisationsbrille.

Spezielle Mikrolinsen bündeln die Lichtstrahlen

Damit die Lichtstrahlen präzise auf den Sensor gebündelt werden, sind spezielle Mikrolinsen notwendig. Vor deren Herstellung berechneten die Fraunhofer-Ingenieure zunächst die optimale Form mit Hilfe von Simulationen.

Das war notwendig, um Störfaktoren zu eliminieren. So muss die Linse etwa garantieren, dass rechter und linker Kanal scharf voneinander getrennt sind. Das heißt, dass nicht mehr als fünf Prozent vom einen Lichtstrahl auf den Sensorspalt des anderen Kanals einfallen – die Experten nennen das »Übersprechen«.

Chip mit einem Durchmesser von 7,5 mm

Anschließend passten die Forscher die üblichen Herstellungsverfahren für Mikrolinsen an die errechnete Linsenform an. Zudem mussten sie bei der Fertigung der Miniaturkameras bestimmte Anforderungen erfüllen.

Mit Erfolg: Der Chip ist so winzig, dass er in ein Rohr von gerade mal 7,5 mm Durchmesser passt. Zusammen mit dem Glasfaserbündel, das als Lichtquelle dient, misst das Endoskop 10 mm im Durchmesser.

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