Medien zu diesem Beitrag

• Durch verschiedene Polarisationsfilter ist diese Kamera dazu in der Lage, Oberflächenbeschaffenheiten zu erkennen.© IIS
  
• Forschern ist es gelungen, verschiedene Polarisationsfilter auf einem Bildsensor zu integrieren.© IIS
  
• Mit vergleichsweise einfachen Mitteln kann nun zum Beispiel die Oberflächenbeschaffenheit von Straßen erkannt werden.© D. Falkowsky
  

<>

Innovationsgrad

REDAKTION:

7

COMMUNITY:

0

Marktreife2012

Der Einsatz von polarisiertem Licht gehört zu den wichtigsten Instrumenten, um die Beschaffenheit von Strukturen und Oberflächen zu erkennen. Allerdings waren bislang mehrere Kameras beziehungsweise Filter notwendig, um alle relevanten Polarisationen aufnehmen zu können. Forschern ist es nun gelungen, verschiedene Polarisationsfilter auf einem Bildsensor zu integrieren und damit den Bau einer kompakten und umfassend arbeitenden digitalen Polarisationskamera möglich zu machen. Mit vergleichsweise einfachen Mitteln kann nun die Oberflächenbeschaffenheit beispielsweise von Straßen erkannt werden.

Das "Offensichtlichste" am Licht sind natürlich seine Helligkeit und die Farbe. Dass daneben noch eine dritte Eigenschaft existiert, wird kaum wahrgenommen. Selbst in der Wissenschaft scheinen Erkenntnisse über die Möglichkeiten, die die Polarisation von Licht eröffnet, bei Weitem nicht ausgereizt. Dabei "verrät" polarisiertes Licht viel über den Gegenstand, von dem es reflektiert wird. So lassen sich beispielsweise Spiegelungen, Spannungen in Bauwerken und Materialien oder auch die Beschaffenheit von Oberflächen wie einer Straße gut erkennen. Klassische Kamerasysteme beispielsweise in der Industrie nutzen diesen Vorteil, indem sie mit einem vorgeschalteten Polarisationsfilter fotografieren oder filmen, um Beschaffenheiten zu analysieren. Allerdings sind in der Regel mehrere Polarisationsfilter nötig, um beispielsweise eine glatte, eine nasse oder auch eine vereiste Oberfläche unterscheiden zu können. Im Labor lässt sich dies kompensieren, indem entweder die Polarisationsfilter gewechselt werden, bis die gewünschte Information zuverlässig "erkannt" worden ist oder aber mehrere Kameras mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern zum Einsatz kommen. Beiden Möglichkeiten ist eins gemeinsam: Sie arbeiten in vielerlei Hinsicht mit kostenintensiven, temperatur- und erschütterungsanfälligen und damit letztlich "schwerfälligen" Systemen. Aus diesem Grund schien es bislang auch wenig sinnvoll, Fahrzeuge mit Aufnahmegeräten für polarisiertes Licht auszustatten, obwohl beispielsweise das Wissen um die Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche grundlegend für das Fahrverhalten und die Sicherheit im Automobil ist.

Forschern am Fraunhofer IIS ist es nun gelungen, einen Bildsensor zu realisieren, auf dem verschiedenste Polarisationsfilter bereits integriert sind. Auf diese Weise wird es möglich, in Echtzeit Bilder mit unterschiedlichsten Positionen aufzunehmen und beispielsweise Oberflächenzustände einer Fahrbahn wie "trocken", "nass" oder "vereist" eindeutig zu erkennen. Die Grundidee dieses Farb- und Polarisationssensors besteht darin, die im Rahmen der Produktion von CMOS-Halbleiterbauelementen (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ohnehin zur Verfügung stehenden Metallschichten so zu strukturieren, dass sie wie ein klassisches Polarisationsfilter-System wirken.

Die Forscher haben sich dabei unter anderem an der Farbwirkung von Schmetterlingsflügeln orientiert. Schmetterlinge verfügen nicht über Farbpigmente. Vielmehr entstehen ihre schillernden Farben nur, weil Licht durch mikroskopisch kleine Löcher im Flügel fällt. Diese wirken wie optische Filter, bei denen nur bestimmte Wellenlängen durchgelassen werden. Ähnlich wie beim Schmetterling werden bei der vom Fraunhofer IIS entwickelten Technologie Nanostrukturen benutzt. Diese werden in den ohnehin nötigen Metallschichten beim normalen Halbleiterherstellungsprozess erstellt. Nur Licht mir der gewünschten Polarisation kann die Schicht passieren. Letztlich ist damit mit einem (vergleichsweise günstigen) Chip das gleiche möglich, wie dies vorher nur mit mehreren, der Kamera vorgeschalteten Polarisationsfiltern machbar war.

Mithilfe dieser neuartigen und hoch kompakten Polarisations- und spektralen Messtechnik lassen sich aber nicht nur nasse oder vereiste Stellen auf der Straße während der Fahrt lokalisieren. Der Polarisations-Bildsensor kann selbstverständlich auch bei einer Vielzahl anderer Anwendungsbereiche effektiv genutzt werden. Dazu gehört das Analysieren chemischer Stoffe ebenso wie beispielsweise die Qualitätsüberwachung, um Fertigungsfehler zu erkennen. So können beispielsweise Mikrodefekte in Gläsern mittels Spannungsdoppellbrechung eindeutig und in Echtzeit identifiziert werden. Polarisationskameras können aber auch eingesetzt werden, um den Kontrast bei der Inspektion von metallischen Oberflächen zu erhöhen oder Mediziner bei beispielsweise Zell-Gewebe-Untersuchungen zu unterstützen.

Eine erste funktionsfähige und erfolgreich getestete Polarisationskamera mit Namen "POLKA" ist bereits im Betrieb und wird seit September 2011 auf verschiedenen Messen vorgestellt.