Lichtfeld-Kamera Eine Lichtfeld-Kamera, die ohne Licht funktioniert

Redakteur: Katharina Juschkat

Forschern ist es gelungen, eine Lichtfeldkamera zu konstruieren, die nicht mit sichtbarem Licht, sondern mit Terahertz-Strahlung arbeitet. Wie das funktioniert.

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Erstmals haben Wissenschaftler eine Lichtfeld-Kamera im Terahertz-Bereich entwickelt.
Erstmals haben Wissenschaftler eine Lichtfeld-Kamera im Terahertz-Bereich entwickelt.
(Bild: Institute for High-Frequency and Communication Technology)

In der Theorie wurden Lichtfeldkameras schon vor über 100 Jahren beschrieben: der französische Physiker und Nobelpreisträger Gabriel Lippmann legte bereits 1908 die Grundlagen für die Technologie. Doch erst über ein Jahrhundert später werden Terahertz-Lichtfeldkameras Realität: Prof. Ullrich Pfeiffer und sein Team am Lehrstuhl für Hochfrequenz- und Kommunikationstechnik der Bergischen Universität Wuppertal haben eine Lichtfeld-Kamera entwickelt, die nicht mit sichtbarem Licht arbeitet, sondern mit Terahertz-Strahlung.

Hintergrund: Was ist eine Lichtfeld-Kamera?

Ursprünglich wurden Lichtfeldkameras im sichtbaren Bereich realisiert. Im Gegensatz zur normalen Kamera erfasst eine Lichtfeldkamera neben den üblichen zwei Bilddimensionen (x, y) eine weitere Dimension: Die Richtung einfallender Lichtstrahlen. Durch die zusätzliche Dimension enthalten solche Aufnahmen Informationen über die Bildtiefe. Hierdurch lässt sich nachträglich die Schärfeebene im aufgenommenen Bild verschieben.

Bei der konventionellen Fotografie muss vor der Aufnahme entschieden werden, welches Objekt scharf dargestellt werden soll, weiter vorne/hinten liegende Objekte gehen in den Unschärfebereich über. Entscheidend für nachträgliche Verschiebung des Schärfebereichs ist, dass dieselbe Szene aus mehreren Blickwinkeln erfasst wird. Dabei ist es irrelevant, ob eine flächige Anordnung aus mehreren Kameras die Szene erfasst, oder die verschiedenen Blickwinkel innerhalb der Kamera erzeugt werden – z. B. durch Mikrolinsen vor dem Bildsensor.

Was eine Terahertz-Lichtfeld-Kamera ist

Im elektromagnetischen Spektrum befindet sich das schwer zugängliche Terahertz-Band zwischen Radiowellen und infrarotem Licht. Forscherinnen und Forscher versuchen seit Jahrzehnten, das wenig genutzte Terahertz-Band besser zu nutzen. Im Vergleich zu Röntgenstrahlung ist Terahertz-Strahlung eine nicht ionisierende und daher unbedenkliche Strahlung, um dünne, aber undurchsichtige Objekte für Inspektionsaufgaben zu durchleuchten oder die chemische Zusammensetzung von Materialien aus der Ferne zu bestimmen.

Hintergrund: Terahertz-Strahlung

Terahertz-Strahlung (THz) befindet sich zwischen Radiowellen und Infrarotlicht und ist für Menschen ungefährlich. Die Frequenzen befinden sich etwa im Bereich von 0,3 THz bis 10 THz oder einer Wellenlänge von 1 mm bis 0,03 mm. Terahertz-Bildgebungsgeräte kommen beispielsweise zum Einsatz als Sicherheitsscanner genutzt werden, medizinische Bildgebungsgeräte, die durch Kleidung schauen können, oder in der zerstörungsfreien Prüfung und in der industriellen Inspektion.

Eine Terahertz-Kamera kann die Intensität einfallender Strahlung im Terahertz-Bereich detektieren. In der Regel können dadurch 2-D Bildaufnahmen erzeugt werden. Bei einer Terahertz-Lichtfeld-kamera wird zusätzlich zur Intensität auch die Richtung einfallender Strahlung detektiert. Der jetzt entwickelte Prototyp der Lichtfeldkamera besteht aus einer Mehrzahl von Terahertz-Kameras, die genau diese Funktionalität aufweist.

Anwendungsbeispiele für eine Terahertz-Lichtfeld-Kamera

Da Terahertz-Strahlung viele dünne Materialien durchdringt, sind mit einer Terahertz-Lichtfeld-Kamera Anwendungen denkbar, bei denen Materialien durchleuchtet werden müssen, um Objekte oder Materialklassen zu erkennen.

Ein Beispiel wäre in der Qualitätssicherung, bei der eine Inspizierung einer Packung möglich ist, ohne diese öffnen zu müssen. Auch Anwendungen in der Sicherheitstechnik wären denkbar, wo beispielsweise das Durchleuchten eines Briefumschlages möglich wird, um gefährliche Stoffe zu erkennen, ohne diese anzufassen.

Da das Forschungsfeld bislang noch sehr neu ist, braucht es noch viel Grundlagenforschung, bis erste Anwendungen zu erwarten sind, teilen die Wissenschaftler mit.

Zehnmal größere Bildpixel

Die für den Terahertzbereich entwickelten Bildpixel sind gegenüber konventionellen Bildpixeln ca. zehnmal so groß. Um Chipfläche und damit Kosten bei der Entwicklung zu sparen, muss man möglichst viele Funktionen in diesen Chip integrieren. Dies geschieht z. B. durch Erstellen von Funktionselektronik hinter dem eigentlichen Aufnahmepixel. Als Besonderheit kombiniert diese Kamera antennengekoppelte Empfänger für den Terahertz-Bereich, programmierbare Ausleseverstärkung, Signaldigitalisierung und eine serielle Datenschnittstelle in einem einzigen monolithischen integrierten Schaltkreis.

Damit erzielt man letztendlich ein System auf einem Chip, welches mittels USB-Port mit einem Computer kommuniziert. Hier wurde erstmals ein 32x32-Sensorfeld hinter eine einzelne Siliziumlinse integriert. Zusätzlich kann durch flächige Anordnung dieser Einzelmodule die Bildauflösung unter Beibehaltung des Funktionsprinzips erhöht werden.

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