Unter 1 mm Bauhöhe Neues Mikrolinsen-Array ermöglicht sehr flache Weitwinkelkameras

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Forscher haben eine Weitwinkelkamera entwickelt, die bei einer Dicke von weniger als 1 mm ein Sichtfeld von 140 Grad bietet und ohne hervorstehende Linsen auskommt. Die Technologie steht kurz vor der Kommerzialisierung.

Je flacher Smartphones und Wearables werden, desto störender wirkt der sogenannte Kamera-Buckel oder auch Lens Protrusion genannt. Hochauflösende Weitwinkelkameras erfordern in der Regel mehrere gestapelte Linsen, was unweigerlich zu einer größeren Bautiefe führt. Ein Forschungsteam des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) unter der Leitung der Professoren Ki-Hun Jeong und Min H. Kim hat nun einen Weg gefunden, dieses optische Nadelöhr zu umgehen.

Das Ergebnis, das kürzlich im Fachjournal Nature Communications vorgestellt wurde, ist ein Kameramodul mit einer Bauhöhe von exakt 0,94 mm. Trotz dieses extrem kompakten Formfaktors erreicht das System ein diagonales Sichtfeld (Field of View, FOV) von 140 Grad und übertrifft damit sogar das periphere Sehen des Menschen.

Mikrolinsen-Array statt Linsen-Stapel

Anstatt das Problem mit herkömmlichen, gestapelten Einzellinsen zu lösen, setzten die Entwickler auf einen biomimetischen Ansatz, der vom visuellen System des Insekts Xenos peckii inspiriert ist. Während typische Insekten-Facettenaugen zwar ein großes Sichtfeld, aber eine geringe Auflösung bieten, verfügt dieser Parasit über eine Struktur, bei der mehrere Augen jeweils nur Teilsegmente einer Szene erfassen. Das Gehirn fügt diese anschließend zu einem hochauflösenden Gesamtbild zusammen.

Die KAIST-Forscher übertrugen dieses Prinzip auf die Hardware-Architektur: Sie entwickelten ein Array aus mehreren ellipsoid geformten Mikrolinsen. Jede dieser Mikrolinsen erfasst gleichzeitig eine andere Richtung. Die Teilbilder werden anschließend per Software (Computational Imaging) zu einem einzigen, scharfen Bild ohne optische Aberrationen zusammengefügt. Durch diesen Split-Capture- und Integrationsansatz lassen sich die geringe Auflösung herkömmlicher Facettenkameras und die eingeschränkten Sichtfelder von Einzellinsensystemen gleichzeitig überwinden.

Scharfe Ränder, Fokus im extremen Nahbereich

Eine der größten Herausforderungen bei Weitwinkellinsen im Miniaturformat ist die Unschärfe an den Bildrändern. Durch eine präzise Anpassung der Linsenform und der Lichteintrittspunkte konnte das Team dieses Problem eliminieren. Das System behält laut den Forschern eine gleichmäßige Schärfe von der Bildmitte bis zur Peripherie bei. Erste Tests zeigten stabile und detailreiche Aufnahmen selbst im extremen Nahbereich, beispielsweise bei Mikrofluidik-Kanälen (20 mm Abstand), oralen Modellen (30 mm) und menschlichen Gesichtern (50 mm).

Marktreife bereits im kommenden Jahr

„Bisherige Weitwinkelkameras standen immer vor einem Kompromiss: Eine Verringerung der Größe senkte die Auflösung, eine Erhöhung der Auflösung vergrößerte das Bauteil“, erklärt Prof. Ki-Hun Jeong. Mit der neuen Architektur steht Entwicklern künftig eine Bilderfassungsmethode für extrem platzbeschränkte Umgebungen zur Verfügung.

Besonders für den Einsatz in der Medizintechnik, wie für hochauflösende Endoskope, in Mikro-Robotern oder kompakten Wearables im Healthcare-Sektor eröffnet der Sensor neue Design-Möglichkeiten. Dass es sich hierbei nicht nur um reine Grundlagenforschung handelt, zeigt der nächste Schritt des Teams: Die Technologie wurde bereits an den Optoelektronik-Spezialisten MicroPix Co., Ltd. transferiert. Die vollständige Kommerzialisierung und Serienfertigung der ultraflachen Kameras wird für das kommende Jahr angestrebt. (heh)

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