News: Neural Nano Optics -Mit Metamaterial-Optik und KI zur Salzkorn-Kamera

2.12.2021 - 15:26 Uhr

Wer sich die Entwicklung von Smartphone-Kameras näher ansieht, erkennt zwei gegenläufige Trends: Einerseits wurden die Kameras gegenüber herkömmlichen Kameras zuerst immer kleiner, andererseits wachsen seit Jahren die verbauten Sensoren wieder deutlich, um an die Bildqualität von Systemkameras aufschließen zu können.

Ist Miniaturisierung das primäre Designziel, so bleibt die Optik in der Regel das limitierende Element. Nun hat ein universitäres Forschungs-Team in Amerika (an der Princeton University und an der University of Washington) einen komplett neuen Miniatur-Kamera-Ansatz verfolgt. Dabei ist eine funktionierende Kamera entstanden, die nur noch die Größe eines groben Salzkorns hat.

Statt einer optischen Linse kommt eine Metaoberfläche zum Einsatz, die von fast zwei Millionen zylindrischen Stiften durchsetzt ist. Jede dieser "optischen Antennen" hat eine unterschiedliche Form, um die ebenso unterschiedlichen Komponenten des Lichtspektrums durchzuleiten. Die hierfür benötigte Fläche ist insgesamt gerade einmal einen halben Millimeter dick und soll theoretisch mit gängigen Verfahren der Halbleiterfertigung in Masse zu fertigen sein.

Es gab schon ähnliche Ansätze in der Vergangenheit, jedoch sind die hierbei entstehenden "RAW-Bilder" extrem verwaschen und zeigen kaum klare Kanten. Doch dank KI konnten die Signalverarbeitungsalgorithmen der Kamera so trainiert werden, dass nun auch erstaunlich gute Bilder ausgegeben werden:

An den Rändern verwaschen aber trotzdem erstaunlich gut (links).
An den Rändern verwaschen aber trotzdem erstaunlich gut (links).

Die KI konnte dabei durch den Vergleich der Kameraausgabe mit den Bildern echter Kameras die Parameter für ein weitaus besseres "Debayering" abschätzen und entsprechend angleichen. Nur zu den Bildrändern entstehen weiterhin deutliche Unschärfen. Wie das ganze genau funktioniert, erklärt dieser Nature Artikel.

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Wie man klar sehen kann, ist die Bildqualität noch deutlich von dem entfernt, was man heute selbst von den billigsten Kamera-Modellen erwartet. Dennoch dürfte die Zukunft in solchen Metamaterialien zu finden sein, sofern sich das Prinzip weiter skalieren lässt. Dieser Golem-Artikel sinniert beispielsweise über den Einsatz des Materials als komplette Smartphone-Rückseite...

(rudi)

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