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Sensor Forscher drucken Sensoren mit Adlerblick

| Redakteur: Katharina Juschkat

Forscher der Universität Stuttgart haben mithilfe eines 3D-Druckers Sensoren hergestellt, die die Eigenschaften eines Adlerauges kopieren. Damit sollen sich die Sensoren vor allem für selbstfahrende Fahrzeuge eignen.

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Die Sensoren sollen ähnliche Eigenschaften wie Adleraugen besitzen: einen scharfen Blick aus weiter Ferne und einen perfekten Rundumblick.
Die Sensoren sollen ähnliche Eigenschaften wie Adleraugen besitzen: einen scharfen Blick aus weiter Ferne und einen perfekten Rundumblick.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Physiker der Uni Stuttgart haben Sensoren hergestellt, die die Eigenschaften eines Adlerauges kopieren sollen. Die Sensoren stammen aus dem 3D-Drucker und sollen vor allem für das autonome Fahren eingesetzt werden, wo ein scharfer Rundumblick gefragt ist. Die Fachzeitschrift Science Advances berichtet über die Sensoren in ihrer aktuellen Ausgabe.

Ein Adlerauge fürs selbstfahrende Auto

Die Vorzüge des Adlerauges ist der scharfe Blick aus weiter Entfernung, um auch aus 3 km Höhe eine Maus erspähen zu können, und das weite Sichtfeld, damit die Vögel feindliche Tiere wahrnehmen können. Der Grund für den sprichwörtlichen Adlerblick sind extrem viele Sehzellen in der zentralen Fovea, einer Einsenkung im Zentrum des Gelben Flecks, dem Bereich des schärfsten Sehens. Zusätzlich haben Adler eine zweite Fovea am Augenrand, die für scharfe Sicht nach den Seiten sorgt.

Für selbstfahrende Fahrzeuge wäre ein solcher Rundumblick viel wert: Nach vorne soll seine Kamera besonders scharf sehen, Hindernisse erkennen und den Abstand zum Vordermann einschätzen, trotzdem soll aber auch zur Seite hin alles im Blick behalten werden. Bisher werden dazu eine ganze Reihe von Kameras und Sensoren rund um das Fahrzeug oder eine rotierende Kamera auf dem Dach verwendet.

3D-Drucker druckt Linsen auf einen CMOS-Chip

CMOS Sensor mit jeweils vier Linsen unterschiedlicher Brennweite für das „Foveated Imaging“.
CMOS Sensor mit jeweils vier Linsen unterschiedlicher Brennweite für das „Foveated Imaging“.
(Bild: Universität Stuttgart/ PI 4 )

Simon Thiele vom Institut für Technische Optik und seine Kollegen um Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart haben einen Sensor entwickelt, der dieses Adlerauge auf kleiner Fläche nachbilden soll. Die Stuttgarter Forscher druckten direkt auf einen hochauflösenden CMOS-Chip einen ganzen Satz von Mikro-Objektivlinsen, die verschiedene Brennweiten und Sichtfelder haben. 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.

Der 3D-Drucker stellt die Linsen mithilfe der so genannten Zweiphotonen-Polymerisation passgenau direkt auf dem CMOS-Chip her. 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.

Alle vier Bilder, die die Linsen auf dem Chip erzeugen, werden nach Angaben der Forscher 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. Die Forscher testeten die Kamera an verschiedenen Testobjekten und konnten laut eigenen Angaben die Verbesserung der Auflösung im Zentrum dieses so genannten „foveated imaging“-Systems nachweisen.

Linsen auch für Minidrohnen denkbar

Da das gesamte Sensorsystem wenige Quadratmillimeter groß ist – die Linsen haben Durchmesser im Bereich von hundert bis zu wenigen hundert Mikrometern – haben die Forscher auch andere Anwendungsmöglichkeiten im Blick. So könnten die Linsen auch in Minidrohnen zum Einsatz kommen. Die Sensoren sind mit einem kleinen Minicomputer verbunden, der eine eigene IP-Adresse hat und der über das Smartphone angesprochen und ausgelesen werden kann. Somit ist das System bereits für Anwendungen der Industrie 4.0 geeignet.

Die Arbeit wurde von der Baden-Württemberg-Stiftung sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Die Forschung war unter dem Dach des Forschungszentrums Scope der Universität Stuttgart angesiedelt und konnte dank neuester 3D-Druck-Technologie der Karlsruher Firma Nanoscribe realisiert werden.

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