Forschung 16.04.1999, 17:21 Uhr

Pfiffige Ideen für Internet, Computer & Co.

Neue Ideen werden die Welt der Computer und Kameras schöner und schneller machen. Für besonders vielversprechende Ideen wie den biegsamen Laser und einen hochempfindlichen Kamerachip zeichnet die Philip-Morris-Stiftung in diesem Jahr vier Forscherteams aus.

Schon bald könnte es Realität sein: Das Fernsehbild kommt nicht aus einem mehr oder weniger klobigen Gerät, sondern von einer Folie an der Wand, die bei minimalem Energieaufwand ein viel brillianteres Bild liefert. Die leuchtende, flexible Folie gibt es schon, und sie kann noch mehr: Prof. Jochen Feldmann und Dr. Ulrich Lemmer vom Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik an der Universität München haben damit den ersten biegsamen Festkörperlaser hergestellt. Dafür erhalten die beiden Wissenschaftler einen der diesjährigen Philip Morris Forschungspreise, die insgesamt mit 200 000 DM dotiert sind und offiziell am 16. Juni in München verliehen werden.
Feldmann und Lemmer verwenden für ihren Laser keine kristallinen Halbleiter, sondern Polymerfolien. Lemmer hatte in Zusammenarbeit mit Chemikern vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ein Polyparaphenylen (PPP) entdeckt, das Licht verstärkt. „Mit dem wie eine Leiter aufgebauten ladder-type Polyparaphenylen läßt sich eine besonders gute optische Verstärkung erreichen“, erläutert Lemmer.
Feldmann fand per Zufall den perfekt zum laseraktiven LPPP passenden, flexiblen Spiegel: eine Folie für die Entspiegelung von Sonnenkollektoren mit feinsten Rillen, die senkrecht einfallendes Licht durchlassen, aber Strahlen aus jedem anderen Winkel spiegeln. Feldmann und Lemmer verteilten nun ihr in Toluol gelöstes LPPP als hauchdünne Schicht auf dieser Folie. Die mit Licht angeregte Folie lieferte schon bei geringer Leistung einen grünen Laserstrahl.
Bisher gelingt dies jedoch nur, wenn die Energie mit Hilfe eines anderen Lasers, also optisch, in die Folie gepumpt wird. Für den technischen Einsatz müßte die Laserfolie sich elektrisch pumpen lassen. Deshalb arbeiten die beiden Wissenschaftler an verschiedenen Schichten, die auf den Verstärker aufgebracht als Kontakte den Strom direkt in die Schicht bringen sollen.

CD-Spieler, Scanner und Bildschirme mit großer Leistung bei geringem Energieverbrauch

Ein solcher Laser erschließt neue Meßtechniken: Dreidimensionale Objekte ließen sich in einer Röhre in Sekundenbruchteilen vermessen. Pkw beispielsweise könnten exakt auf Abweichungen bei der Fertigung untersucht werden. Gängige Anwendungen würden wirtschaftlicher, etwa in CD-Spielern und Scannern von Supermarktkassen. Und Laptop-Bildschirme wären bei geringem Energieverbrauch leuchtend hell.
Computer-Usern die Arbeit erleichtern könnte bald auch der erste optische Schalter für das Internet. Er wurde am Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik in Berlin unter Federführung von Prof. Hans-Georg Weber konstruiert. Jedes Jahr verdoppelt sich die Menge der weltweit übertragenen Daten, Staus auf der „Datenautobahn“ sind fast normal. Für den Transfer werden über lange Strecken zwar bereits lichtleitende Glasfasern benutzt. Theoretisch lassen sich damit pro Sekunde mehrere Terabit transportieren – das sind 1012 Bit – , doch bislang macht die opto-elektronische Wandlung in den Schaltknoten der Netze den Geschwindigkeitsvorteil zunichte.
Das neuartige Modul könnte bald Abhilfe schaffen: Es schaltet einen Lichtimpuls innerhalb einer Picosekunde und besteht aus drei Komponenten: einem optischen Schalter, einer optischen Pulsquelle und einer optischen Taktrückgewinnung. Noch nimmt die Anordnung einen ganzen Experimentiertisch ein, doch an einem optischen Chip wird schon gearbeitet (siehe VDI-N 12/98).
Einen Mikrochip für Videokameras, der mehr als eine Million Helligkeitsstufen unterscheidet, haben die Ingenieure Michael Schanz, Christian Nitta und Thomas Eckart vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg entwickelt. Auftraggeber war BMW, wo an einem Bildverarbeitungssystem gearbeitet wird, das Fahrszenen erkennt und auswertet. Ein Beispiel: Am Ende eines Tunnels unterscheidet das menschliche Auge kaum mehr als schwarz und weiß. Ein elektronischer „Assistent“, der den Fahrer in schwierigen Situationen unterstützt, soll dagegen auch Hindernisse wahrnehmen, die sich nur wenig vom Hintergrund abheben.
Herkömmliche Videokameras bewältigen höchstens 2000 Helligkeitsstufen. Das IMS-Team entwickelte einen Bildsensorchip (CMOS-Chip), der nicht wie der CCD-Chip einer Videokamera aufgebaut ist, sondern eher wie der Mikroprozessor in einem Computer. Für jeden der 256 mal 256 Pixel ist der lichtempfindliche Teil des Chips mit einer Schaltung gekoppelt, die die Bildsignale individuell verarbeitet: Jedes Pixel hat gleichsam seinen eigenen Belichtungsmesser. Damit läßt sich ein Bildsignal schon auf dem Chip je nach Intensität unterschiedlich bearbeiten: Schwache Signale, etwa im Tunnel, werden angehoben, hohe Signale wie grelles Licht bei nächtlichem Gegenverkehr nicht mehr verstärkt. „So erreichen wir, daß schwächere Signale besser ausgewertet, und helle Partien nicht übersteuert werden“, erläutert Michael Schanz.
Jeder Bildpunkt wird bei der Aufnahme mit bis zu vier unterschiedlichen Belichtungszeiten registriert, und daraus die jeweils günstigste Belichtung ausgewählt. So liefert jeder Bildpunkt nicht nur ein Signal für die Helligkeit, sondern auch die vom Kamerachip ausgewählte Verstärkung und die zugehörige Belichtungszeit – und das 50 Mal pro Sekunde. Aus diesen Informationen setzt das Auswertungsprogramm das fertige Bild zusammen. Weitere mögliche Anwendungen wären Überwachungskameras mit nie zuvor gekannter Bildqualität – und die Radarfallen der Polizei.
Der vierte Preisträger schließlich hat mit Internet & Co nichts zu tun: Die Arbeitsgruppe um Prof. Wilhelm Barthlott und Dr. Christoph Neinhuis am Botanischen Institut der Universität Bonn untersucht seit Jahren, wie sich Pflanzen und Tiere durch besondere Gestaltung von Oberflächen oder Haut vor Schmutz schützen. Sie entlarvten die Formel „glatt = sauber“ als Irrtum und bewiesen das Gegenteil: „Nur was rauh ist, wird von selbst sauber“, erläutert Barth-lott. Die Botaniker entschlüsselten dieses Prinzip der Selbstreinigung in der Natur: Nur unter dem Elektronenmikroskop erkennbare, feinste Strukturen auf Blattoberflächen lassen Wassertropfen abperlen, wobei Schmutzteilchen mitgerissen werden. Dieser „Lotus-Effekt“ läßt sich vielfach nutzen: etwa für Autolacke, die schmutzigen Regen abweisen und Windschutzscheiben, die nie mehr vereisen. Für neuartige Fassadenanstriche wird das Prinzip bereits erprobt.
BURKHARD JUNGHANSS
Die Münchner Wissenschaftler Prof. Jochen Feldmann und Dr. Ulrich Lemmer mit dem ersten biegsamen Festkörperlaser. Herzstück ist eine hauchdünne Folie aus dem Kunststoff Polyparaphenylen, der Licht verstärkt. Einen Mikrochip, der über eine Million Helligkeitsstufen unterscheidet, erfand der Duisburger Ingenieur Michael Schanz mit Kollegen. Autofahren könnte damit sicherer werden, Videoaufnahmen wären ungleich schärfer.

Von Burkhard Junghanss
Von Burkhard Junghanss

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