Das Facettenauge der Insekten als Vorbild

Flexible Bildsensoren für Kameraobjektive in Kugelform

Von Rainer Scharf

Das menschliche Auge ist modernen Digital- und Videokameras in vielerlei Hinsicht überlegen. Es erfasst einen großen Blickwinkel und erzeugt mit nur einer Linse ein helles und kaum verzerrtes Bild auf der halbkugelförmigen Netzhaut. Kameras benötigen stattdessen ein kompliziertes, aus mehreren Linsen bestehendes Objektiv, wenn sie ein unverzerrtes, aber eingeschränktes Bild auf den ebenen Bildsensor projizieren sollen. Wollte man eine Kamera erheblich verbessern, könnte man sie mit Bildsensoren ausstatten, die ebenfalls stark gekrümmt sind. Mit den gängigen Verfahren der Halbleitertechnik lassen sich aber nur ebene Sensoren auf starren Siliziumchips fertigen. Jetzt haben Forscher in den Vereinigten Staaten einen flexiblen Lichtsensor hergestellt und auf die Innenseite einer Hohlkugel übertragen.
 
Flexible elektronische Schaltungen auf Kunststoff- oder Gummischichten hatten John Rogers und seine Kollegen von der University of Illinois in Urbana-Champaign schon früher produziert. Diese Schaltungen würden jedoch Schaden nehmen, wenn man sie so stark deformierte, dass sie sich an die Innenseite einer Halbkugel mit nur wenigen Zentimetern Durchmesser anschmiegen können. Deshalb wählten die Wissenschaftler einen anderen Weg bei ihrem Versuch, ein künstliches Auge mit elektronischer Netzhaut herzustellen.

Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 454, S. 748) berichten, fertigten sie zunächst mit herkömmlichen Verfahren einen Chip, auf dem 256 Fotodioden schachbrettartig angeordnet und durch Metalldrähte miteinander verbunden waren. Die Trägerschicht, auf der das Netz von Fotodioden saß, wurde durch Ätzen entfernt. Die übrig gebliebene elektronische Netzhaut konnten die Forscher auf eine glattgespannte Kunststoffunterlage übertragen, die bei Entspannung von selbst die Form einer Halbkugel annahm. Der dabei auftretenden Oberflächenkrümmung wurde dadurch Rechnung getragen, dass die Drähte zwischen den Fotodioden kleine Bögen bildeten, während die Dioden auf dem Kunststoff hafteten.

Die elektronische Netzhaut, die nun einen großen Teil der Halbkugel bedeckte, wurde mit dieser wie mit einem Stempel in eine passende gläserne Halbkugelschale gedrückt. Deren Innenfläche war mit einem Klebstoff beschichtet, so dass die elektronische Netzhaut fest haften blieb. Sie wurde mit zusätzlichen Drähten in eine Schaltung integriert und mit einem Computer verbunden. Schließlich wurde noch eine Linse über der Halbkugelschale angebracht - und die Kamera war fertig.

Wie erwartet, lieferte dieses künstliche Auge mit seiner stark gekrümmten elektronischen Netzhaut deutlich bessere Bilder als eine entsprechende Kamera, in der die Fotodioden eben angeordnet waren. Insbesondere am Bildrand waren die Verzerrungen erheblich kleiner. Außerdem war die Lichtintensität gleichmäßiger über das Bild verteilt, und das Bildfeld war insgesamt größer.

Durch das von John Rogers und seinen Kollegen entwickelte Verfahren wird es möglich, nahezu beliebig gekrümmte Oberflächen mit Fotodioden zu bedecken und damit neuartige optische Sensoren und äußerst kompakte Abbildungssysteme herzustellen. So könnte eine elektronische Netzhaut zum Beispiel auf der Innenseite eines Rotationsparaboloiden angebracht werden, wie man ihn von Brennspiegeln her kennt. Ein damit ausgestattetes künstliches Auge würde noch bessere Bilder liefern als ein kugelförmiges. Befestigte man die Fotodioden auf der Oberfläche einer Kugel, so erhielte man ein Facettenauge, das dem der Insekten ähnelte. Darüber hinaus eignen sich halbkugelförmige Anordnungen von Lichtdetektoren besser für Netzhautimplantate als flache.

Text: F.A.Z., 13.08.2008, Nr. 188 / Seite N2