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fraunhoferForschungsbericht

Chirurgen können dank moderner Endoskope immer häufiger auf große Schnitte verzichten. Für manche Eingriffe sind Instrumente mit einer 3D-Optik unerlässlich. Fraunhofer-Forscher haben einen speziellen Bildsensor entwickelt, der den Ärzten den perfekten Tiefeneindruck im Körperinneren dank Mikrolinsen ermöglicht.



Den perfekten 3D-Blick ins Innere des Körpers verdanken zukünftig Ärzte den Forschern vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und den Projektpartnern im EU-Projekt »Minisurg«. Während bisher nur CCD-Bildsensoren mit einer geringen Auflösung zur Verfügung standen, ist es jetzt den Wissenschaftlern gelungen, CMOS-Bildsensoren, die beispielsweise auch in Spiegelreflexkameras verbaut sind, für diese Spezialanwendung tauglich zu machen. Dafür wurden spezielle Mikrolinsen entwickelt, deren Innovation im Strukturaufbau der CMOS-Sensoren liegt:

Zwei "Augen" sehen mehr

Über jeweils zwei Spalten des Sensors, auf denen die Pixel angeordnet sind, ist eine zylindrische Mikrolinse angebracht. Über ein davorliegendes Objektiv fällt das Licht auf die Linsen, die es auf die Pixel bündeln. Die Besonderheit dabei ist, dass das Objektiv zwei Blendenöffnungen hat. Zwei Lichtstrahlen fallen somit auf die Linsen – das eine Licht fällt von links ein und wird auf die rechte Sensorspalte gebündelt, und umgekehrt. Unterhalb der Linsen kreuzen sich die beiden Lichtstrahlen. Das Ergebnis: Wie das Gehirn die Daten vom linken und rechten Auge verarbeitet, erhält der CMOS-Sensor zwei verschiedene Bildinformationen. Eine Software rechnet diese auseinander und verarbeitet sie getrennt. Je nach System bekommt der Arzt dann den dreidimensionalen Eindruck direkt auf dem Bildschirm zu sehen, oder aber er nutzt eine Polarisationsbrille.

Störfaktoren eliminiert

Damit die Lichtstrahlen präzise auf den Sensor gebündelt werden, sind spezielle Mikrolinsen notwendig. Vor deren Herstellung berechneten die Ingenieure zunächst die optimale Form mit Hilfe von Simulationen. Das war notwendig, um Störfaktoren zu eliminieren. So muss die Linse etwa garantieren, dass rechter und linker Kanal scharf voneinander getrennt sind. Das heißt, dass nicht mehr als fünf Prozent vom einen Lichtstrahl auf den Sensorspalt des anderen Kanals einfallen – die Experten nennen das »Übersprechen«.

Anschließend passten die Forscher die üblichen Herstellungsverfahren für Mikrolinsen an die errechnete Linsenform an. Zudem mussten sie bei der Fertigung der Miniaturkameras bestimmte Anforderungen erfüllen. Mit Erfolg: Der Chip ist so winzig, dass er in ein Rohr von gerade mal 7,5 mm Durchmesser passt. Zusammen mit dem Glasfaserbündel, das als Lichtquelle dient, misst das Endoskop 10 mm im Durchmesser – die perfekte Größe für minimalinvasive Anwendungen in der Chirurgie.


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