Menschen können nicht sehen, in welche Richtung Lichtwellen schwingen. Mit einer neuen Generation von Polarisationskameras kann diese für uns unsichtbare Qualität des Lichts, die Polarisation, sichtbar gemacht werden. Die Kamera PolKa basiert auf einem winzigen Sensor, der mit einer einzigen Aufnahme pixelweise die Schwingungen des Lichts erfasst. Sie eignet sich etwa für zerstörungsfreie Prüfverfahren in der Produktion. Ein Prototyp ist auf der Messe Vision in Stuttgart zu sehen.
Der Sonnenuntergang ist farblich gesehen für das menschliche Auge ein echtes Spektakel. Der Himmel schimmert in Rosa- und Orangetönen, das Tageslicht schwindet, langsam wird es dunkel. Rein physikalisch betrachtet, nehmen Menschen bei diesem Naturschauspiel die Lichtintensität als Helligkeit wahr, je nach Wellenlänge sehen sie unterschiedliche Farben. Doch Licht hat eine weitere Qualität, die dem menschlichen Auge völlig verborgen bleibt: Die Polarisation. »Licht ist eine elektromagnetische Welle, die eine bestimmte Schwingungsrichtung hat. Und genau das können Menschen im Gegensatz zu vielen anderen Lebewesen nicht sehen«, erklärt Sean Durkin, zuständig für Bildgebende Verfahren in der Abteilung Bildsensorik am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Dabei lässt sich mithilfe der Polarisation so manches erkennen, was sonst verborgen bleibt. Bisher gelingt dies jedoch nur teuren und aufwändig zu handhabbaren Spezialkameras, die derzeit etwa von Herstellern von optischen Linsen oder Kunststoffen zur Produktionsüberwachung eingesetzt werden. Die neue, am IIS in Erlangen entwickelte Kamerageneration PolKa liefert bereits mit einer einzigen Aufnahme aussagekräftige Bilder und ist nebenbei deutlich günstiger herstellbar. Einen Prototyp der nur 55x55x75 Millimeter großen Kamera zeigen die Forscher des IIS vom 8. bis 10. November am Gemeinschaftsstand in Halle 4, Stand C76, dem Publikum der Messe Vision.
Herzstück von PolKa ist ein ebenfalls am IIS entwickelter nanostrukturierter CMOS-Sensor, bei dem die Polarisationsfilter direkt in den einzelnen Pixeln verankert sind. So kann mit einer einzigen Aufnahme Pixel für Pixel linear polarisiertes Licht erfasst und gemessen werden. Herkömmliche Polarisationskameras sind dagegen aufwändiger konstruiert und arbeiten zum Beispiel mit vor dem Sensor rotierenden Polfilterrädern, Strahlteilern oder LCD-Shuttern. Zudem werden die Aufnahmen bei den meisten heute benutzten Polarisationskameras aus mehreren Bildern zusammengesetzt. Durch diese Zeitverzögerung verschwimmt die Darstellung - Experten sprechen hier von Bewegungsartefakten. »Mit unserem Chip gibt es das nicht«, erklärt Durkin. »Die Handhabung ist unkompliziert.«
Wie bei herkömmlichen Digitalkameras können die aufgenommenen Bilder live an einen PC übertragen werden. Mithilfe von Visualisierungsalgorithmen machen die Wissenschaftler Intensität, Winkel und Grad der Polarisation durch eine online-Farbcodierung sichtbar. »Man kann unsere Aufnahmen sofort am PC anschauen und abspeichern.«
Derzeit arbeiten die Forscher des IIS mit Partnern an verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten für die PolKa. »Wir sehen den größten Nutzen in der zerstörungsfreien Materialprüfung«, meint Durkin. Darüber hinaus lässt sie sich beispielsweise auch nutzen, um den Zustand von Straßenbelägen darzustellen. »Auf der Messe zeigen wir, wie mithilfe der Polarisation trockener Fahrbahnbelag von nassem oder gefrorenem unterschieden werden kann«, erklärt der Experte. Bis die Kamera in Autos eingebaut werden kann, müssen allerdings noch ein paar technische Probleme gelöst werden. Dasselbe gilt für die Glatteiserkennung auf Flughäfen. Auch hier arbeiten die Wissenschaftler mit verschiedenen Partnern an Lösungen, den aktuellen Zustand von Start- und Landebahnen wiederzugeben.
Der Sonnenuntergang ist farblich gesehen für das menschliche Auge ein echtes Spektakel. Der Himmel schimmert in Rosa- und Orangetönen, das Tageslicht schwindet, langsam wird es dunkel. Rein physikalisch betrachtet, nehmen Menschen bei diesem Naturschauspiel die Lichtintensität als Helligkeit wahr, je nach Wellenlänge sehen sie unterschiedliche Farben. Doch Licht hat eine weitere Qualität, die dem menschlichen Auge völlig verborgen bleibt: Die Polarisation. »Licht ist eine elektromagnetische Welle, die eine bestimmte Schwingungsrichtung hat. Und genau das können Menschen im Gegensatz zu vielen anderen Lebewesen nicht sehen«, erklärt Sean Durkin, zuständig für Bildgebende Verfahren in der Abteilung Bildsensorik am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Dabei lässt sich mithilfe der Polarisation so manches erkennen, was sonst verborgen bleibt. Bisher gelingt dies jedoch nur teuren und aufwändig zu handhabbaren Spezialkameras, die derzeit etwa von Herstellern von optischen Linsen oder Kunststoffen zur Produktionsüberwachung eingesetzt werden. Die neue, am IIS in Erlangen entwickelte Kamerageneration PolKa liefert bereits mit einer einzigen Aufnahme aussagekräftige Bilder und ist nebenbei deutlich günstiger herstellbar. Einen Prototyp der nur 55x55x75 Millimeter großen Kamera zeigen die Forscher des IIS vom 8. bis 10. November am Gemeinschaftsstand in Halle 4, Stand C76, dem Publikum der Messe Vision.
Herzstück von PolKa ist ein ebenfalls am IIS entwickelter nanostrukturierter CMOS-Sensor, bei dem die Polarisationsfilter direkt in den einzelnen Pixeln verankert sind. So kann mit einer einzigen Aufnahme Pixel für Pixel linear polarisiertes Licht erfasst und gemessen werden. Herkömmliche Polarisationskameras sind dagegen aufwändiger konstruiert und arbeiten zum Beispiel mit vor dem Sensor rotierenden Polfilterrädern, Strahlteilern oder LCD-Shuttern. Zudem werden die Aufnahmen bei den meisten heute benutzten Polarisationskameras aus mehreren Bildern zusammengesetzt. Durch diese Zeitverzögerung verschwimmt die Darstellung - Experten sprechen hier von Bewegungsartefakten. »Mit unserem Chip gibt es das nicht«, erklärt Durkin. »Die Handhabung ist unkompliziert.«
Wie bei herkömmlichen Digitalkameras können die aufgenommenen Bilder live an einen PC übertragen werden. Mithilfe von Visualisierungsalgorithmen machen die Wissenschaftler Intensität, Winkel und Grad der Polarisation durch eine online-Farbcodierung sichtbar. »Man kann unsere Aufnahmen sofort am PC anschauen und abspeichern.«
Derzeit arbeiten die Forscher des IIS mit Partnern an verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten für die PolKa. »Wir sehen den größten Nutzen in der zerstörungsfreien Materialprüfung«, meint Durkin. Darüber hinaus lässt sie sich beispielsweise auch nutzen, um den Zustand von Straßenbelägen darzustellen. »Auf der Messe zeigen wir, wie mithilfe der Polarisation trockener Fahrbahnbelag von nassem oder gefrorenem unterschieden werden kann«, erklärt der Experte. Bis die Kamera in Autos eingebaut werden kann, müssen allerdings noch ein paar technische Probleme gelöst werden. Dasselbe gilt für die Glatteiserkennung auf Flughäfen. Auch hier arbeiten die Wissenschaftler mit verschiedenen Partnern an Lösungen, den aktuellen Zustand von Start- und Landebahnen wiederzugeben.
