Universität Stuttgart druckt „Adleraugen“ auf hochauflösenden Chip

Kleiner als ein Sandkorn und scharf wie Adleraugen – ein Linsensystem im Mikroformat wurde an der Universität Stuttgart erstmals auf einen hochauflösenden CMOS-Chip gedruckt.

Eine Sensation. Vom Tele- bis zum Weitwinkelbereich reicht das Spektrum dieser Linsen und die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Denkt man nur an selbstfahrende Automobile, die visuelle Daten über eine Reihe von Kameras und Sensoren oder eine rotierende Kamera auf dem Dach erzeugen. Vorstellbar ist auch, so hieß es jüngst in der F.A.Z., dass das System in eine Brille implantiert werden könne, die mit einem WiFi-Tansmitter ausgestattet ist oder auch in Mini-Drohnen zum Einsatz kommt.

Adler können aus drei Kilometern Höhe eine Maus auf einer Wiese erkennen und gleichzeitig extrem scharf seitlich sehen. Der Grund: Adler verfügen über viele Sehzellen in der zentralen Fovea, einer Einsenkung im Zentrum des Gelben Flecks, dem Bereich des schärfsten Sehens. Dieses Prinzip machten sich die Stuttgarter Forscher zunutze und drucken vier Mikro-Objektivlinsen mit verschiedenen Brennweiten und Sichtfeldern auf einen hochauflösenden Chip. Die kleinste Linse hat eine Brennweite, die einem Weitwinkelobjektiv entspricht, dann folgen zwei Linsen mit eher mittlerem Sichtfeld, und die größte Linse hat eine sehr lange Brennweite und ein kleines Sichtfeld, wie ein typisches Teleobjektiv.
(Foto oben: CMOS Sensor mit jeweils vier Linsen unterschiedlicher Brennweite für das „Foveated Imaging“. © Universität Stuttgart/ PI 4)

Das Adler-Prinzip: Alle vier Bilder, die die Linsen auf dem Chip erzeugen, werden gleichzeitig elektronisch ausgelesen und verarbeitet. Dabei setzt ein kleines Computerprogramm das Bild so zusammen, dass im Zentrum das hochauflösende Bild des Teleobjektivs dargestellt wird und ganz außen das Bild des Weitwinkelobjektivs. Das Sensor-System ist nur wenige Quadratmillimeter groß und „ sind schon jetzt mit einem kleinen Minicomputer verbunden, der eine eigene IP-Adresse hat und der direkt über das Smartphone angesprochen und ausgelesen werden kann“, heißt in der Pressemitteilung der Universität Stuttgart.

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Detailfoto der vier verschiedenen Linsen auf dem CMOS-Sensorchip. © Universität Stuttgart/ PI 4

Hergestellt wurden die Linsen über den den 3D-Druck der Karlsruher Firma Nanoscribe (der Zeiss-Konzern ist an dem Unternehmen mit 40 Prozent beteiligt) und zwar mithilfe der Zweiphotonen-Polymerisation. Passgenau wurden das Linsensystem direkt auf den CMOS Chip gedruckt. „Mit Hilfe der Multiphotonen-Polymerisation können hochauflösende 3D Strukturen in fotosensitiven Materialien hergestellt werden. Die Auflösung des Verfahrens, d.h. die Voxelgröße, wird hauptsächlich durch die Größe des Laserfokus im Material sowie der Laserleistung bestimmt“, führt Nanoscribe auf seiner Homepage aus.

Die Universität Stuttgart in ihrer Pressemitteilung so: „Bei diesem Verfahren werden zwei Photonen aus einem roten Femtosekunden-Laserpuls im Fotolack absorbiert und wirken wie ein blaues Photon, das den Vernetzungsprozess im flüssigen Fotolack in Gang setzt. Mithilfe eines Scanners wird so Lage um Lage der Freiform-Linsenstruktur geschrieben.“

So spielt die Zweiphotonen-Polymerisation auch bei der Entwicklung 3D-gedruckter mikrostrukturierter Augenimplantate schon seit einigen Jahren eine herausragende Rolle. Vor zwei Jahren berichteten die Klinischen Monatsblätter für Augenheilkunde über eine experimentelle Studie zu diesem Verfahren. Dort hieß es: „Die Multiphotonen-Polymerisation ist ein interessantes Werkzeug für die flexible Herstellung komplexer Multifokallinsen. Durch den zu erwartenden technischen Fortschritt im Bereich des 3-D-Druckes mittels Multiphotonen-Polymerisation hat das Verfahren ein vielversprechendes Potenzial für die zukünftige Herstellung individualisierter Intraokularlinsen on Demand.“

Quelle: https://eref.thieme.de/ejournals/1439-3999_2015_12#/10.1055-s-0041-107883

Die F.A.Z. berichtete zu der Stuttgarter Innovation: „Der 3D-Druck, in dem das Linsen-Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, bevor das überflüssige Material chemisch entfernt wird, ermöglicht zudem Formen, die durch herkömmliche Produktionsverfahren mindestens extrem schwierig, wenn nicht unmöglich sind. Zum Beispiel elliptische oder parabolische Formen.“

Anwendung finden wird die neue Technologie wohl nicht nur in der Augenheilkunde oder in der Zahnmedizin bei der Untersuchung feinster Zahnkanäle oder generell bei optischen Trackingssystemen in der Medizin. Denkt man allein an die Überwachung des öffentlichen Raums durch Minidrohnen, nicht größer als eine Fliege  – mit der Minioptik aus Stuttgart kein Problem. Auch in Video basierten AR-Systemen könnte sich sich die Stuttgarter Technologie als überaus nützlich erwiesen (vgl. hierzu: https://www.vs.inf.ethz.ch/edu/SS2005/DS/reports/03.1-ar-report.pdf). Die Datenbrille à la Google jedenfalls dürfte mit dem Stuttgarter Durchbruch wohl Geschichte geworden sein.

Für unser 3D-Netzwerk ergeben sich aus den Stuttgarter Forschungsergebnissen insbesondere drei übergeordnete Erkenntnisse:

  1. Mit 3D-Druckern ersetzten nicht in erster Linie nur traditioneller Fertigungsverfahren, sie ermöglichen ganz neue Technologien und Produkte.
  2. 3D-Drucker werden immer leistungsfähiger. (These: 5)
  3. Die einzelnen 3D-Technologien bieten Synergien:
    3D-Scan, VR & AR ermöglichen besser konstruiert Bauteile (Topologie-Optimierung, Leichtbau) und eine effiziente Qualitätskontrolle bei der Additiven Fertigung.
    Gleichzeitig trägt 3D-Druck dazu bei, VR und AR zu verbessern und neue „optische“ Anwendungsgebiete zu schaffen.
    Für uns waren diese Synergien in 2016 der Grund, aus dem 3D-Druck Netzwerk ein 3D-Netzwerk für alle 3D-Technologien zu machen