04.02.13

Fotografie

Super-Blende schrumpft Bilddaten bei der Aufnahme

Eine neue Technik optimiert Teleskope und Radare. Dadurch sollen Zehntausende Fotodateien auf die Chips herkömmlicher Kameras passen. Das ist vor allem für Astronomen und Polizisten von Interesse.

Von Thomas Jüngling

Ein wenig sieht es aus wie einer dieser klebrigen Fliegenfänger, was die Wissenschaftler John Hunt und Tom Driscoll präsentierten. Doch der Streifen könnte die Fototechnik revolutionieren. Entdeckt haben die Techniker der Duke University in North Carolina eine Blende, die Bilddaten automatisch komprimiert, eine Nachbearbeitung durch spezielle Algorithmen ist nicht mehr notwendig.

Vorerst kann ihr System nur mit Mikro- und Millimeterwellen umgehen. Wenn sie jedoch auch mit sichtbarem Licht zurechtkommt, würden viele Zehntausend Aufnahmen auf einen herkömmlichen Chip in einer Digitalkamera passen.

Bei herkömmlichen Verfahren bündelt eine Linse die Lichtwellen eines Motivs, die dann von Detektoren aufgenommen werden. Jeder davon erfasst die Lichtintensität und stellt einen Bildpunkt dar. Danach bearbeitet eine Software die Daten und komprimiert sie.

So wie Bildkameras arbeiten auch bisher Sensoren für Millimeter- und Mikrowellen. Das neue System aber erfasst nur noch einen Bruchteil der Informationen, der aber ausreicht, um daraus im Nachhinein das vollständige Bild zu rekonstruieren – und zwar verlustfrei.

Dafür setzen die Techniker der Duke University keine klassischen Linsen mehr ein. Sie setzen ein Metamaterial ein, das wegen seiner besonderen Mikrostruktur ungewöhnlich mit Licht umgeht. So muss es Licht nicht reflektieren, sondern kann es um einen Gegenstand herumleiten. Das wird zum Beispiel für Versuche mit Tarnkappen eingesetzt.

Neue Blende ersetzt alle mechanischen Teile

Die Forscher arbeiten mit einem langen Streifen aus Kupfer, in den zahlreiche winzige Rechteckmuster eingestanzt sind. Laufen die Wellen einer bestimmten Länge die Struktur entlang, stoßen sie auf unterschiedliche Resonatoren. Einige von ihnen beginnen exakt bei dieser Frequenz zu schwingen, und dort treten die Wellen wieder aus. So entstehen kleine Flecken in einem bestimmten Muster, aus dem sich das ursprüngliche Motiv rekonstruieren lässt.

Da das System bestimmte Frequenzen und keine Bildpunkte erfasst, muss es nicht mehr wie bisher üblich hin- und herbewegt werden, die neuartige Blende ersetzt also alle mechanischen Teile. Das schützt vor Verschleiß und verbilligt die Herstellung, zum Beispiel von Radarsensoren. Während Chips in Kameras nur wenige Euro kosten, liegen die Preise für Radarsensoren bei einigen Tausend Euro.

Mit der neuen Technik ließen sie sich deutlich günstiger produzieren und wesentlich kompakter bauen. Die Wissenschaftler denken unter anderem an tragbare Körperscanner für die Polizei. Mit deren Hilfe könnten die Polizisten kontrollieren, ob Personen eine Waffe tragen, ohne dass sie die Verdächtigen berühren müssten. Auch ließen sich Autos mit der Technik ausrüsten. Die Sensoren wären in der Lage, den Wagen sicher durch dichten Nebel, eine Wand aus Staub oder durch eine lichtarme Nacht zu steuern.

Auch für Astronomen ist die automatisch komprimierende Blende interessant. Teleskope könnten damit nicht nur mehr Aufnahmen von Sternen abspeichern, sie sind auch in der Lage, in extrem kurzer Folge ganze Sequenzen von Bildern zu liefern. Bislang sind nicht mehr als Schnappschüsse mit den Kameras in Teleskopen möglich, mit der Blende der Duke University aber ließen sich Bilderserien erstellen, die fast an die Qualität eines Videos heranreichen.

Ein kleiner Chip könnte Zehntausend Bilder speichern

Noch allerdings sind die Aufnahmen mithilfe des Prototyps zu grob und in ihrer optischen Wirkung zu flach für solche Anwendungen. Ganz zu schweigen vom Einsatz in herkömmlichen Digitalkameras, die mit sichtbarem Licht arbeiten. Wegen der anders gelagerten Frequenzen dieses Lichts müssten sie erst ein vollkommen neuartiges Metamaterial entwickeln. Das Interesse der Hersteller dürfte aber groß sein. Selbst einfachste Kameras bieten schon ein optisches System an, das eine sehr große Auflösung liefert. So benötigt eine digitale Aufnahme schnell einige Megabyte Platz auf dem internen Speicher.

Eine Möglichkeit, damit umzugehen, bieten vermehrt angebotene internetfähige Kameras, die Bilder sofort nach dem Auslösen – per WLAN oder Mobilfunk – auf einen zentralen Speicher in der Cloud schicken. Dafür muss jedoch immer eine Internetverbindung bestehen. Eine Alternative wären leistungsfähigere Speicherchips, doch bei deren Entwicklung stoßen Techniker mittlerweile an physikalische Grenzen.

Es bleibt die Kompression der Bilddaten, um gar nicht erst auf viel Speicherplatz angewiesen zu sein. Schon jetzt wird das gemacht, zum Beispiel im Einsatz von jpg-Dateien. Doch mit der neuen Blende fällt nur noch ein Vierzigstel der bisher zu verarbeitenden Daten an. Dann könnte ein kleiner Chip in der Digitalkamera viele Zehntausend Bilder speichern.