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Rambus entwickelt optische Sensoren ohne Linsen

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rambusUnsere Umgebung soll intelligenter werden, uns besser unterschützen – bereits heute tragen wir in der Hosentasche mit unserem Smartphone mehr Sensorik umher als wir uns das eigentliche begreiflich machen. Doch auch die Smartphone-Hersteller kommen immer wieder an ihre Grenzen und so besitzen beispielsweise das iPhone 6 (Plus) oder viele andere Geräte zwar ein sehr dünnes Gehäuse, die Kameraoptik aber ragt daraus etwas hervor. Der Grund hierfür sind schlicht und ergreifend physikalische Einschränkungen bei der Konstruktion von Linsensystemen. Diese Einschränkungen sind aber nicht nur in Smartphones hinderlich, sondern in vielen anderen Anwendungsgebieten von kleinen Kameras ebenso hinderlich.

Rambus hat sogenannte Lensless Smart Sensors (LSS) vorgestellt, die ohne Linsen vor dem eigentlichen Sensor auskommen. Wie diese genau funktionieren und welche Vorteile durch die Erhebung der Sensordaten bieten, erläutern wir später etwas genauer. Zunächst einmal ein ganz einfacher Vergleich der Rahmenbedingungen für den Einsatz solcher Sensoren. Während selbst die kleinsten optischen Sensoren über eine Linse verfügen, die einen Durchmesser von mindestens 1,5 mm hat, kommen die LSS auf eine Größe von gerade einmal 0,055 mm. Nicht mehr die Optik ist hier das limitierende Element des gesamten Aufbaus, sondern der Sensor selbst. Hinzu kommt die Bauhöhe, die bei LSS weniger als 1 mm beträgt. Ein LSS besitzt zudem einen Blickwinkel von 140 ° – wie gesagt ohne den Einsatz einer Optik.

Rambus Lensless Smart SensorsRambus Lensless Smart Sensors

Rambus Lensless Smart Sensors

Von größerer Bedeutung ist dies vor allem bei Infrarotkameras. Hier sind nicht die CMOS-Chips der eigentliche Grund für die hohen Kosten guter Kameras, sondern die Optik bzw. die Linse. Diese sind extrem schwer zu fertigen und müssen auch entsprechend kalibriert sein, damit der Sensor die richtigen Daten erheben kann. Hier sieht Rambus durch den Einsatz von LSS auch die größten Vorteile gegenüber bestehenden Systemen.

Anstatt einer optischen Linse setzen die LSS eine aus Silizium gefertigt Spiralkonstruktion ein, die über ein bestimmtes fraktales Muster verfügt. Auf die genauen Details will Rambus natürlich nicht eingehen, da in dieser Linse die eigentliche Innovation der LSS steckt. Die Sensorik dahinter in Form der CMOS-Chips ist mit anderen Sensoren identisch. Die Spirallinse mit dem fraktalen Muster erzeugt ein bestimmtes Interferenzmuster. Die Lichtteilchen verhalten sich hier wie eine Welle – man spricht dann von Materiewellen und vom Welle-Teilchen-Dualismus. Voraussetzung für das Funktionieren einer solchen Linse ist, dass die Wellenlänge λ kleiner ist als der Abstand a der beiden Spalten ist. Über diese Voraussetzung kann der LSS an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden. Mehr zum Welle-Teilchen-Dualismus und zum Doppelspaltexperiment ist in der Wikipedia nachzulesen.

Rambus Lensless Smart SensorsRambus Lensless Smart Sensors

Rambus Lensless Smart Sensors

Die LSS erheben die Daten aber nicht in einer Form ab, die das menschliche Auge nachbildet. Durch die Spirallinse ist das erzeugte Bild ein sogenannter Blob und lässt recht wenige Rückschlüsse auf das eigentlich abgebildete Objekt zu. Erst durch bestimmte Fourier-Transformationen können die Daten in gewisser Weise rekonstruiert werden. Dies ist aber meist nicht das gewünschte Anwendungsgebiet für solche Daten, denn diese können zum Beispiel für ein Eyetracking abstrakt bleiben, denn das System soll hier nur erkennen, wohin der Träger zum Beispiel einer VR-Brille gerade schaut.

Den LSS ist es möglich, mit weit geringerer Auflösung genauer zu arbeiten. Für ein Eyetracking werden beispielsweise Infrarotsensoren verwendet, die mit Auflösung von 640 x 480 Pixel arbeiten. LSS verwenden bei gleicher oder sogar höherer Genauigkeit nur 200 x 200 Pixel. Über bestimmte Berechnungen und den Fourier-Transformationen ist es sogar möglich, nicht nur eine Positionierung in 2D vorzunehmen, sondern auch in der Tiefe also 3D. Die geringere Auflösung der Sensoren bedeutet neben der geringeren Größe auch eine geringere Leistungsaufnahme. Durch den Wegfall der Linsen sind die Sensoren zudem deutlich günstiger.

Rambus Lensless Smart Sensors
Rambus Lensless Smart Sensors

Kommen wir nun aber noch kurz zu den Anwendungsgebieten der LSS. Da wären zum Beispiel VR- oder Augmented-Reality-Brillen, bei denen die Sensorik für das Eyetracking im dünnen Rahmen einer Brille untergebracht werden können. Im Automotive-Bereich könnten solche Sensoren die Gewichtssensoren ersetzen, die üblicherweise in den Sitzen verbaut sind, um im Falle eines Unfalls nur bestimmte Airbags auszulösen. Zudem ließe sich damit eine genauere Steuerung der Klimaanlage realisieren.

Rambus Lensless Smart SensorsRambus Lensless Smart Sensors

Rambus Lensless Smart Sensors

Natürlich denkt Rambus auch an das Smart Home. Doch wer stellt sich schon gerne eine Kamera in die eigenen vier Wände? LSS ermöglichen eine Überwachung des Zuhauses, ohne dass dabei personenbezogene Daten anfallen, da kein "echtes Bild" von den Sensoren erkannt wird. Wohl aber könnte eine solche Kamera zwischen einer Katze und einem echten Einbrecher unterscheiden.

Rambus Lensless Smart Sensors
Rambus Lensless Smart Sensors

Lensless Smart Sensors sind neben der Verschlüsselung von Smartphones und damit verbundenen Diensten ein zweites wichtiges Themenfeld für Rambus. Wann und wo wir die LSS im Einsatz sehen werden, wird sich aber erst in den nächsten Monaten zeigen.

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