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Metalinsen sollen die Fotografie für immer verändern

Michael Förtsch 04.12.2017

Die Schärfe und Qualität eines Fotos wird nicht nur vom Sensor, sondern auch dem Objektiv einer Kamera bestimmt. Forscher der Universität Harvard arbeiten nun an Linsen aus Metamaterial, die Glasoptiken ersetzen sollen. Die sind so dünn wie Papier und bestehen aus mikroskopischen Stäbchen.

Die Hersteller von Smartphones arbeiten daran, die Kameras ihrer Geräte stetig weiter zu verbessern. Das iPhone X, Google Pixel 2 und Samsung Galaxy S8 liefern schon optisch beeindruckende Aufnahmen. Allerdings reichen die dennoch nicht gänzlich an eine Spiegelreflex- oder Systemkamera heran. Denn vor allem die dicken Glaslinsen der Wechselobjektive sind ein bestimmender Faktor für Lichtempfindlichkeit, Schärfe und nicht zuletzt Schärfentiefe, welche die Smartphone-Hersteller mit Software zu emulieren und kompensieren versuchen. Mit einer Entwicklung von Forschern der Harvard University könnte das in den kommenden Jahren jedoch überflüssig werden. Die Wissenschaftler haben Linsen entwickelt, die kein Glas benötigen und dadurch unvorstellbar dünn und klein sein können.

Diese bestehen aus einem Meta-Material. Dabei handelt es sich um mikroskopische Stäbchen aus Titandioxid oder Siliziumdioxid, die in einzelnen Gruppen angeordnet sind. In diesen Konstellation agieren die 400 bis 700 Nanometer langen Stäbchen ähnlich einer Glaslinse als Wellenleiter. Die Nanoflossen fangen das sichtbare Licht auf, lenken es durch die Linse und fokussieren es auf einen gewählten Punkt. Jede Wellenlänge wird dabei von einer gesonderten Gruppierung übernommen. Der Vorteil der Metalinsen: Sie lassen sich auf einer Fläche unterbringen, die gerade einmal so dick ist, wie ein Blatt Papier. Zudem weisen sie anders als Glaslinsen keine natürlichen optischen Verzerrungen oder Farbverschiebungen auf. Denn eine fehleranfällige Krümmung wie bei einem Glas ist hier nicht nötig, um das Licht zu bündeln.

Wie die Harvard-Forscher nun in einer Studie ausführen, ließen sich die Metalinsen ähnlich simpel fabrizieren wie bereits seit Jahren schon Integrierte Schaltkreise, wenn sie massenweise auf sogenannte Wafer gebracht werden. Mittels der Fotolithografie sei es möglich, über eine Maske mit ultraviolettem Licht, feinste Stäbchenstrukturen in dünne Siliziumdioxidplatten zu fräsen. Auf diese Weise haben die Harvard-Forscher bereits 20 Millimeter durchmessende Metalinsen mit einer Brennweise von 50 Millimetern hergestellt. Diese taugen auch schon, um damit Bilder aufzunehmen.

Statt dicker Gläser könnten Objektive in mehreren Jahren aus flachen Scheiben bestehen und Smartphones problemlos die Qualität erreichen, die heute noch eine Spiegelreflexkameras erfordert. Auch würden die Optiken von Mikro- und Teleskopen stark zusammenschrumpfen. Dazu könnten die Produktionskosten für die Optiken dank der vergleichsweise unkomplizierten Massenfertigung um das 100 bis 1000fache sinken. Aktuell arbeiten die Forscher schon an einer Methode, die Brennweite einer Metalinsen durch die Einwirkung elektrischer Felder zu variieren, um dadurch einen Zoomeffekt zu erzeugen. Das könnte die Foto- und Filmtechnik auf immer verändern.