Die künstliche Netzhaut

Intelligente Sensorgeräte aus der Photonik sollen Kameras das dreidimensionale Sehen ermöglichen

In ihrem Labor führt Susanna Orlic, hier mit Mitarbeiter Timo Feid, Versuche und Analysen zur Farb-Zerlegung durch © Institut für Optische Technologien

Heutige Hightech-Kameras können mit ihrer hohen Auflösung oft Dinge sehen, die das menschliche Auge gar nicht wahrnimmt. Doch etwas Entscheidendes hat das menschliche Augenpaar ihnen immer noch voraus: das dreidimensionale Sehen. Das soll nun anders werden. Die Arbeitsgruppe "Optische Technologien" von TU-Professorin Dr. Susanna Orlic hat ein ambitioniertes Projekt gestartet, das eine neue Generation hochintelligenter optischer Sensorsysteme entwickeln und die Beschränkungen konventioneller Kameratechnik überwinden will: Es heißt NAMIROS und wird vom Bundesforschungsministerium mit vier Millionen Euro über drei Jahre gefördert.

"Das neue Sensorsystem soll zum Beispiel eine Vordergrund-Hintergrund-Trennung vornehmen und Objekte erkennen können", erklärt Susanna Orlic. "Integriert in eine Kamera wird dieses nicht nur die Objekte vollständig im Raum abbilden und lokalisieren, sondern auch ihre 3-D-Form klassifizieren. Das heißt, dass der Sensor selbstständig zum Beispiel ein Haus von einem Auto unterscheiden kann."

"Nano- und Mikrostrukturierung von Photopolymeren und Nanokompositen als Raumgitter für die optische Sensorik" heißt das von Susanna Orlic koordinierte Projekt mit vollem Namen. Vier Unternehmen, zwei Institute und zwei Universitätsgruppen sind daran beteiligt. Die Entwicklung soll schließlich Anwendung finden in den verschiedensten Bereichen der Industrie wie Verkehrstechnik, Medizin, digitale Bildverarbeitung und vielen anderen. Durch die Kombination von chemischen, optischen und Informationstechnologien eröffnet das interdisziplinäre Projekt weiteres Innovationspotenzial. Vorbild sind biologische Systeme, die intelligent funktionieren. Zum Beispiel kann das menschliche Auge verschiedene Farben auch bei unterschiedlichsten Beleuchtungsverhältnissen identifizieren. Um ein solches optisch-sensorisches Abbildungssystem künstlich zu schaffen, müssen Nano- und Mikro-Raumgitterstrukturen hergestellt werden. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Entwicklung geeigneter Materialien, die sich durch Licht fein strukturieren und zu einem hierarchischen Raumgittersystem zusammenfügen lassen.

Die Periodizität der Raumgitter variiert von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Die geforderte hohe optische Transparenz und der kontrollierbare Beugungskontrast der Raumgitterkomponenten werden mit maßgeschneiderten polymerbasierten Nanokompositen erreicht. Die Methode wird optisch als 4-D-RGB-Sensorik beschrieben, da das Raumgittersystem die 3-D-Objektinformation um eine zusätzliche, im Spektrum des Lichts enthaltene Dimension erweitert.

Die Arbeitsgruppe Optische Technologien der TU Berlin übernimmt die holografische Herstellung von Raumgittern. Hierfür werden mehrere Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen im Material überlagert. Durch Interferenz entsteht dabei eine dreidimensionale Modulation der Lichtintensität. Diese überträgt sich in die photosensitiven Materialien, es bildet sich eine entsprechende räumliche Variation der Brechzahl aus. So entstehen photonische Raumgitter, mit einer den Kristallgittern ähnlichen periodischen Struktur. Mit dieser Methode kann eine Vielfalt von Raumgitterstrukturen mit unterschiedlicher Periodizität realisiert werden, indem Wellenlänge und Richtung der Laserstrahlen angepasst werden.

Anschließend werden die so hergestellten Bauelemente in ein Sensorsystem integriert, das eine ortsgetreue Abbildung erreicht. Typische Einsatzgebiete für objektklassifizierende optische Filter wären z. B. intelligente Bewegungsmelder, die zwischen typischen Objekten (Tiere, Menschen, Autos) unterscheiden können; intelligente Ampeln, automatisch fahrende Fahrzeuge oder Sicherheits- und Überwachungssysteme, die an Gebäuden, an Fahrzeugen, an industriellen Robotern durch die berührungslose Erkennung von Signalklassen in Echtzeit regeln und Entscheidungen treffen.

Patricia Pätzold