Klein wie ein Salzkorn: Nanolinsen ermöglichen schärfere Bilder
Winzige Optiken aus Metamaterial ermöglichen die Berechnung von hochaufgelösten Farbfotos ohne Bildfehler.
(Bild: Princeton University)
- Jan Oliver Löfken
Profifotografen vertrauen auf ihre voluminösen und lichtstarken Objektive. Für den Privatbereich genügt schon heute meist die Bildqualität, die kleine, aber leistungsfähige Optiken in Smartphones ermöglichen. Noch bessere Fotos und Videos – etwa für medizinische Endoskope oder Roboter – lassen sich nun durch den Einsatz winziger Linsen aus nanostrukturierten Metamaterialien anstelle von klassischen Optiken aus lichtbrechenden Materialien gewinnen. Gekoppelt mit ausgeklügelten Algorithmen für die nachträgliche Bildbearbeitung schossen nun US-Forschende von der Princeton University Bilder, für die bisher tausendfach größere, lichtstarke Objektive nötig waren.
Das Ziel von Felix Heide und seinen Kollegen vom Computational Image Lab waren scharfe Nahaufnahmen über einen Blickwinkel von 40 Grad und ohne Wellenlängen abhängigen Abbildungsfehler, die chromatische Aberration. Doch allein winzige Metalinsen – mit einem halben Millimeter Durchmesser kaum größer als ein Salzkorn – reichen nicht, um diese optische Spitzenleistung zu erreichen.
Bauplan für die Metalinse
Denn sie brechen das Licht eines abzubildenen Objekts so eigentümlich, dass ein CCD-Bildchip nur ein scheinbar willkürliches Muster aufzeichnet, das nicht die geringste Ähnlichkeit mit dem Objekt selbst hat. Erst wenn die Bilddaten dieses Muster mit einem eigens programmierten Algorithmus bearbeitet werden, entsteht das scharfe Abbild des Objekts.
Nun ermittelten die Forscher in aufwendigen Computersimulationen sowohl den Bauplan für die Metalinse als auch den dazu passenden Computeralgorithmus. Dabei wandten sie eine Variante des maschinellen Lernens an: In zahlreichen Wiederholungsschleifen optimierten sie so im Computer die gewünschte Bildqualität ohne jeden Abbildungsfehler über alle sichtbaren Farben des Lichtspektrums.
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Extrem hohe Abbildungsqualität
So erhielten sie den Bauplan für eine Maske, also eine Art Druckform, die sie mit lithografischen Methoden fertigen konnten. Mit dieser Maske ließ sich aus einem transparenten Material die Metalinse mit einer filigranen Nanostruktur aus hunderten winzigen Nanosäulen herstellen. An diese Nanostruktur war der Computeralgorithmus zur Auswertung der Bilddaten exakt angepasst.
Erste Testaufnahmen bestätigten die extrem hohe Abbildungsqualität dieser Metalinse. Um in den Kriterien Lichtstärke, Brennweite, Bildfeld und Korrektur von Abbildungsfehlern eine vergleichbare Qualität mit klassischen Optiken zu erhalten, wäre ein sechsteiliges Objektiv von der 550.000-fachen Größe nötig gewesen. So zeigt diese Pilotstudie, dass filigran strukturierte Metalinsen schon bald die Bildqualität von Kameras in Smartphones, Robotern oder faserdünnen Endoskopen deutlich steigern könnten.
(jle)