24.02.2021

Lichtfeldkamera für Terahertz-Strahlung

Prototyp einer Terahertz-Lichtfeldkamera auf internationaler Konferenz präsentiert.

Die Grundlagen zur Lichtfeld­kamera wurden vom französischen Physiker und Nobel­preis­träger Gabriel Lippmann schon 1908 gelegt. Doch erst über ein Jahr­hundert später werden Terahertz-Licht­feld­kameras Realität: Ullrich Pfeiffer und sein Team am Lehrstuhl für Hochfrequenz- und Kommunikations­technik der Bergischen Universität Wuppertal haben nun eine Kamera entwickelt, die nicht mit sichtbarem Licht arbeitet, sondern mit Terahertz-Strahlung. Ihre Entwicklung stellten Ullrich Pfeiffer und seine Mitarbeiter Mitte Februar bei der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) vor, die in diesem Jahr online stattfindet. 
 

Abb.: Seitliche Ansicht der Terahertz-Lichtfeld­kamera (Bild: U. Wuppertal)
Abb.: Seitliche Ansicht der Terahertz-Lichtfeld­kamera (Bild: U. Wuppertal)

Im Gegensatz zur normalen Kamera erfasst eine Licht­feld­kamera neben den üblichen zwei Bild­dimensionen eine weitere, nämlich 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 oder 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.

Im elektro­magnetischen Spektrum befindet sich das schwer zugängliche Terahertz-Band zwischen Radio­wellen und infrarotem Licht. 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.

Die für den Terahertz­bereich entwickelten Bildpixel sind gegenüber konventionellen Bild­pixeln zirka zehnmal so groß. Um Chip­fläche und damit Kosten bei der Entwicklung zu sparen, muss man möglichst viele Funktionen in diesen Chip integrieren. Dies geschieht etwa 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 (System on 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. Dies ist weltweit einmalig. 

U. Wuppertal / DE
 

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