Winzige Metamaterial-Linse macht übergroße Bilder

Mithilfe der Lichtverzerrungsphysik, die „Unsichtbarkeitsmäntel“ ermöglicht, haben Wissenschaftler eine kleine, leichte Kamera entwickelt, die genauso gute oder sogar bessere Fotos aufnehmen kann als kommerzielle Digitalkameras mit mehr als 100-mal größerem Volumen, für den möglichen Einsatz in Smartphones und andere tragbare Geräte, so das Ergebnis einer neuen Studie.

Moderne Kameras verfügen in der Regel über mehrere Objektive, die die Aufnahme hochwertiger Bilder ermöglichen, die Kameras aber auch groß und schwer machen. Diese Masse verhindert, dass High-End-Kameras problemlos in mobile Geräte wie Smartphones, Drohnen und Videogeräte integriert werden können.

Das neue Gerät mit einem Objektiv nahm Bilder mit einer vergleichbaren Auflösung auf wie eine professionelle Sony-Kamera und nahm dabei ein Volumen ein, das weniger als ein Prozent der Optik von Sony ausmacht.

Um Kameras zu miniaturisieren, erforschen Wissenschaftler zunehmend flache Optiken aus Metastrukturen – Materialien, deren Strukturen sich wiederholende Muster in Maßstäben enthalten, die kleiner sind als die charakteristischen Wellenlängen dessen, was die Strukturen manipulieren sollen. Optische Metastrukturen, die dazu dienen, elektromagnetische Strahlung zu manipulieren, können Licht auf unerwartete Weise biegen, was zu unsichtbaren Tarnmänteln und anderen Geräten im Nanomaßstab führt.

Eine weitere Strategie zur Miniaturisierung von Kameras ist die computergestützte Bildgebung, bei der etwaige Mängel der optischen Komponenten mithilfe von Software korrigiert werden. Frühere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass die Kombination von Optiken aus Metamaterialien (auch bekannt als Metaoptiken), ergänzt durch computergestützte Bildgebung, möglicherweise zu qualitativ hochwertigen Bildern mit Optiken mit einer Dicke von nur Mikrometern führen könnte.

Ein großes Problem bei der Entwicklung von Metaoptiken ist die außerordentliche Schwierigkeit, mit der Forscher konfrontiert sind, wenn sie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Licht und allen optischen Komponenten rechnerisch modellieren. Dies bedeutet, dass Metaoptiken zwar theoretisch ein großes Potenzial haben, die von Wissenschaftlern letztendlich hergestellten Metaoptikmaterialien jedoch häufig eine deutlich schlechtere Bildqualität liefern als herkömmliche optische Methoden, sagt Studienkoautorin Karen Egiazarian von der Universität Tampere in Finnland.

In der neuen Studie untersuchten die Forscher eine „Hardware-in-the-Loop“-Strategie, bei der sie Experimente mit tatsächlichen Linsen und Sensoren durchführten, anstatt rechnerisch zu modellieren, wie sich diese Komponenten verhalten könnten. Dies habe dazu beigetragen, den Verarbeitungsaufwand für die Entwicklung von Metaoptiken drastisch um mindestens das Hundertfache und den Speicherbedarf um mindestens das Zehnfache zu reduzieren, stellen die Forscher fest.

Die resultierende Hybrid-Metaoptik bestand aus einer 4,5 Millimeter dicken Standardbrechungslinse, die mit einem 500 µm dicken Quarz-Metaoptikfilm bedeckt war, der mit quadratischen Siliziumnitridsäulen von 700 Nanometern Höhe beschichtet war. In Experimenten nutzten die Wissenschaftler die hybriden Metaoptik- und rechnergestützten Bildgebungstechniken, um Bilder aus einer Entfernung von 0,5 bis 1,8 Metern zu fotografieren.

Das neue Gerät mit einem Objektiv machte Vollfarbbilder, deren Qualität genauso gut oder sogar besser war als die, die mit einer kommerziellen spiegellosen Sony Alpha 1 III-Kamera mit einem Sony SEL85F18-Verbundobjektiv aufgenommen wurden, sagen die Forscher.

„Diese Hardware-in-the-Loop-Methodik ist in der Lage, im Vergleich zum Stand der Technik bessere Optiken zu produzieren“, sagt Studienkoautor Vladimir Katkovnik, ebenfalls an der Universität Tampere.

Gleichzeitig erreichte das neue Gerät weniger als 1 Prozent der Lautstärke des Sony-Systems.

„Ich glaube, dass die derzeit wirkungsvollste Anwendung die Entwicklung einer neuen Generation maßgeschneiderter Kameras für Smartphones ist“, sagt Studienleiter Samuel Pinilla vom Science and Technology Facilities Council in Harwell, England. „Wir sind auch an biomedizinischen Anwendungen interessiert.“ Zukünftige Forschungen könnten auch metaoptische Anwendungen wie hyperspektrale Bildgebung und Bildklassifizierung untersuchen, sagt Egiazarian.

Die Hybrid-Metaoptik des neuen Geräts war nur 5 mm breit. Die Forscher schlagen vor, dass sie in Zukunft noch breitere Metaoptiken entwickeln könnten, die mehr Licht für eine höhere Bildqualität sammeln. Die Herstellung solcher Optiken „ist jedoch immer noch ein sich entwickelndes Gebiet, und hier sind weitere Durchbrüche erforderlich, um ein bestimmtes Design erfolgreich umzusetzen“, sagt der Co-Autor der Studie, Igor Shevkunov, in Tampere.

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse online am 26. Mai in der Zeitschrift Science Advances.