Scharf sehende, künstliche Facettenaugen

Insekten inspirieren Wissenschaftler, in Jahrmillionen perfektionierte Funktionen auf heutige Produkte zu übertragen. So arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena beispielsweise daran, einen ultra-dünnen Bildsensor nach dem Vorbild des Insektenauges zu entwickeln.

In seiner Diplomarbeit „Hochgenaue Positionsbestimmung mit künstlichen Facettenaugen“ verbesserte Andreas Brückner die Abbildungseigenschaften dieser Systeme in Bezug auf Anwendungen in der Sensorik.

Insekten haben nicht zwei Augen, sondern Tausende. Jede Facette ihres Auges dient zur Aufnahme eines Bildpunktes. Linse und Sehzellen liegen jeweils dicht hintereinander auf einer Kugelschale. So können die Insekten mit der Gesamtzahl ihrer Facetten einen weiten Winkelbereich erfassen – allerdings sind die Bilder nicht besonders gut aufgelöst. Da erstaunt es, dass Insekten sehr exakte Manöver fliegen können. Möglich ist das durch das Prinzip der Hyperacuity: kurz gesagt, Insekten sehen mehr als die eigentliche Bildentstehung in ihren Facettenaugen verrät. Der Trick besteht im Überlappen der Gesichtsfelder benachbarter Facetten.

Dieses Phänomen hat Andreas Brückner technisch nachempfunden: „Ziel war es, mikrooptische Facettenaugen-Objektive zu entwickeln, die eine Vielzahl von parallel abbildenden Kanälen beinhalten und zu dem extrem kompakt sind, dünner als 0,5 Millimeter,“ berichtet Andreas Brückner. Gelungen ist ihm das, indem er zunächst analysierte, wie in künstlichen Facettenaugen überhaupt Bilder entstehen. Da jede Facette einen Bildpunkt aufnimmt, lag die Herausforderung darin, eine gezielte Überlappung im technischen System umzusetzen. Mit der genauen Kenntnis der Winkelempfindlichkeit können dann Bildsignale benachbarter Facetten miteinander verglichen werden. Das ermöglicht es, die Objektposition in einem zweidimensionalen Gesichtsfeld mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die um ein Vielfaches höher liegt als die Bildauflösung. Ein Vergleich hat gezeigt, dass ein künstliches Facettenaugen-Objektiv Informationen mit einer effektiven Bildauflösung von 625 x 625 Pixel übertragen kann, obwohl die Anzahl der real verfügbaren Bildpixel auf 50 x 50 begrenzt ist. Somit kann der Sensor einfache Objekte erkennen, deren Position und Größe exakt bestimmen und auch Bewegungen zuverlässig detektieren. Für die Ergebnisse seiner Diplomarbeit erhält er den 1. Hugo-Geiger-Preis.

Das System läßt sich vielfältig nutzen, etwa als Sonnenstandssensoren im Automobil, um in Fahrerassistenzsystemen Fahrstreifen zu erkennen oder in der Produktionstechnik. Erste Projekte dazu laufen bereits.