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Technik: Revolutionäre Kameras

Neuartige Mikroskope und Fotosensoren kommen inzwischen ohne Linse oder Spiegel aus, doch ihre Bilder sind für Menschen zunächst nicht entzifferbar. Erst die digitale Verarbeitung mit maßgeschneiderten Computerprogrammen produziert qualitativ hochwertige Aufnahmen.
Bildsensor

Im Mittelalter schliffen Handwerker erstmals Linsen und krümmten Spiegel, um Lichtstrahlen gezielt abzulenken. Aus diesen optischen Elementen bauten sie Mikroskope, Lochkameras, Teleskope und andere Instrumente, die sowohl sehr kleine als auch sehr große Objekte sichtbar machen: von Körperzellen bis hin zu fernen Planeten.

Mitte des 19. Jahrhunderts führte die Erfindung der Fotografie zu einem Wendepunkt im Gebiet der Optik; nun konnte man die erfassten Bilder permanent festhalten und beliebig oft vervielfältigen. Doch die Ära der ursprünglichen chemischen Fotografie ist zu Ende: Die digitale Bildgebung hat sie inzwischen fast vollständig verdrängt.

Die Fernsehtechnik ebnete den Weg zu diesem dritten Durchbruch, den 1975 die erste Digitalkamera einleitete. Heute nehmen Milliarden Webcams, Digital- und Videokameras weltweit mehr als eine Billion Bilder im Jahr auf.

Paradoxerweise sieht in dieser bildüberschwemmten Ära kaum noch jemand ein direktes optisches Bild: Längst sind die Zeiten vergangen, in denen ein Fotograf durch die Mattscheibe einer Kamera blickte, bevor er eine neue Filmplatte einführte. Stattdessen schauen wir auf Bildschirme, die digital verarbeitete Daten wiedergeben.

In den letzten ein bis zwei Jahrzehnten trat nun eine weitere Technologie hervor, die zu einer vierten Revolution der Bildgebung führt. Diese computergestützten Verfahren werden die herkömmliche Technik zwar nicht gänzlich ersetzen, aber sie stellen jahrhundertelange Annahmen in Frage und haben bereits zu bedeutenden Fortschritten geführt: von mikroskopisch kleinen Bildsensoren, die makroskopische Objekte abbilden, bis hin zu Geräten, die komplett ohne Linse oder Spiegel auskommen …

August 2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft August 2018

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  • Quellen

Asif, M. S. et al.: FlatCam: Thin, Lensless Cameras Using Coded Aperture and Computation. In: IEEE Transactions on Computational Imaging 3, S. 384–397, 2017

Cossairt, O. et al.: When Does Computational Imaging Improve Performance? In: IEEE Trasactions on Image Processing 22, S. 447–458, 2013

Stork, D. G., Gill, P. R.: Optical, Mathematical and Computational Foundations of Lensless Ultra-Miniature Diffractive Imagers and Sensors. In: International Journal on Advances in Systems and Measurements 7, S. 201–208, 2014

Tseng, D. O. et al.: Lensfree Microscopy on a Cellphone. In: Lab on a Chip 10, S. 1787–1792, 2010