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Mikrolinsen Kreise geriffelt

Als Linsenersatz für getrübte Augen ebenso wie für hochauflösende Flachbildschirme eignet sich die in den USA entwickelte »binäre Optik«.
aus DER SPIEGEL 31/1991

Monsieur Fresnel hatte wenig Geduld mit der Dummheit, und die begann für ihn gleich hinter dem Einmaleins - schließlich war er Physiker und der Mann, der im Departement für Ingenieurwesen jede seiner Ideen verwarf, nichts weiter als ein in langjährigem Staatsdienst gedörrter Beamter. Erbost über seinen einfältigen Vorgesetzten, nahm Augustin-Jean Fresnel 1814 seinen Abschied und widmete sich fortan dem Studium der Optik.

Eines der Ergebnisse seines Forschens war eine segensreiche Erfindung, die in der Geschichte des Seewesens wie der des Wohnmobil-Unwesens manch Unglück verhindert hat: die nach ihm benannte Fresnel-Linse, die dem Licht von Leuchttürmen Strahlweite verleiht und - als Plastikscheibe ans Rückfenster geklebt - dem Wohnmobilisten beim Einparken einen Weitwinkelblick auf allfällige Hindernisse erlaubt.

Fresnels geniale Idee: Er goß auf einen flachen Glaskörper zahlreiche konzentrische Linien und schuf damit vor 200 Jahren die Grundlage für ein Linsenprinzip, das jetzt auf dem Gebiet der Optik eine Revolution einleitet, vergleichbar der Umwälzung, die der Mikrochip einst in der Elektronik ausgelöst hat.

»Binäre Optik« heißt die in den USA entwickelte Technologie, mittels derer sich nunmehr Linsensysteme herstellen lassen, die nicht einmal so groß sind wie ein Stecknadelkopf und dabei leistungsfähiger und wesentlich billiger als die meisten Optiken herkömmlicher Bauart.

Vielfältig sind die Möglichkeiten, die diese Mikrolinsen der Technik eröffnen: hochauflösende 3-D-Flachbildschirme in Quadratmetergröße, Optiken für Laserdioden und Lichtwellenleiter, bifokale Linsenimplantate fürs Augeninnere, Weitwinkellinsen in kompakten Faltkameras, Kleinstoptiken für CD-Spieler und Video; daneben: noch genauere Zieloptiken für Raketen und andere Waffensysteme - ein Großteil der binären Optikforschung wird von der amerikanischen Defense Advanced Projects Agency finanziert.

Der bedeutsamste Fortschritt aber, den die binäre Optik über die Menschheit bringen wird, liegt in der Verbindung von Mikrolinse und Mikrochip. Amakronik, nach der griechischen Bezeichnung für »nicht fern« ("a-makros"), nennen die Experten diese Technik, die eine Bildverarbeitung nach Art des menschlichen Gehirns ermöglicht.

»Wir stehen an der Schwelle zu einem neuen Zeitalter in der Optik«, prophezeit Wilfrid Veldkamp, der Erfinder der binären Optik. Im Laufe der letzten 15 Jahre hat der gebürtige Holländer, der am Massachusetts Institute of Technology (MIT) forscht, immer einfachere Verfahren ersonnen, die unterschiedlichsten Kreismuster auf immer kleinere Träger aus Silizium, Plastik oder Glas zu riffeln. Nur mehr zwischen 100 und 20 Mikron (Tausendstel Millimeter) messen inzwischen die einzelnen Linsenelemente der binären Optik, der Veldkamp diesen Namen gab, weil die mikrofeinen Rillen den flachen Linsenkörper in zwei ("binäre") Ebenen unterteilen.

Diese Oberflächenstruktur des Linsenkörpers, die unter dem Elektronenmikroskop anmutet wie ein System tückischer Sägezähne, beugt die einfallenden Lichtstrahlen - im Gegensatz zur herkömmlichen Linse mit ihren nach innen ("konkav") oder nach außen ("konvex") gekrümmten Außenflächen, die das sie durchdringende Licht bricht.

Wie Lichtbrechung vor sich geht, beschreibt ein Gesetz, das der holländische Mathematiker Willebrord Snellius um 1620 aufstellte, nachdem er die mathematische Beziehung zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel des Lichts in vielen tausend Messungen empirisch ergründet hatte.

Ausgehend von Snellius'' Beobachtungen hatte der in Cambridge einsiedelnde Isaac Newton ein halbes Jahrhundert später gefolgert, daß das Licht aus kleinen elastischen Teilchen bestehen müsse, die sich durch den Raum bewegen - daher die Reflexion des Lichtes beim Auftreffen auf einen Spiegel oder die Änderung seiner Strahlen beim Durchgang durch eine Linse.

Alles Blödsinn, polterte sein Zeitgenosse, der als jähzornig gefürchtete Niederländer Christiaan Huygens: Das Licht, so der Astronom in seinem 1690 erschienenen »Tractatus de lumine«, ist eine Wellenerscheinung und »breitet sich darum wie diejenige des Schalls in kugelförmigen Flächen oder Wellen aus«.

Der Wissenschaftsstreit, ob das Licht eine Teilchen- oder Wellenstrahlung sei, währte fast ein Jahrhundert - bis Fresnel den mathematischen wie den praktischen Beweis für die »Dualität« des Lichtes erbrachte: Es läßt sich nicht nur brechen, sondern auch beugen, ist sowohl Teilchen als auch Welle.

Doch nicht einmal Joseph Fraunhofer, der sich als Lehrbub eines Spiegelmachers in nächtlichem Selbststudium umfassende optische und mathematische Kenntnisse angeeignet hatte und so zum berühmtesten Linsenschleifer des 19. Jahrhunderts wurde, vermochte die Fresnelsche Gleichung für die Herstellung diffiziler Optiken umzusetzen.

Obwohl er es wie kein zweiter verstand, die errechneten Daten auf die vielfältigen Schleif- und Poliervorgänge der Linsen zu übertragen, war Fraunhofer außerstande, eine passable Linse mit Beugungseigenschaften herzustellen - zu schwer zu beherrschen waren die Eigenheiten der »Interferenz«, der durch die Lichtbeugung entstehenden Überlagerung von Lichtstrahlen, die sich gegenseitig verstärken oder einander auslöschen.

So fand die Fresnelsche Linse lange Zeit nur für vergleichsweise krude Signaloptiken oder in Projektoren Verwendung, bis sich Wilfrid Veldkamp und sein MIT-Team daranmachten, die Fresnelschen Kreismuster per Laserstrahl ("spanabhebend") in den Linsenkörper zu fräsen oder sie mittels Maskendesign ("lithographisch") in das Material zu ätzen, ungefähr so, wie auch Mikrochips hergestellt werden.

Inzwischen gelingt es den binären Optikern, 20 000 Einzellinsen, nebeneinander plaziert auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter, in einem _(* Beim Vorführen seines Spektrometers. ) einzigen Arbeitsgang herzustellen. Diese Systeme von Mikrolinsen sind so berechnet, daß sie sich selbst korrigieren: Abbildungsfehler eines bestimmten Linsensegments, die etwa eine punktscharfe Vereinigung der Lichtstrahlen im Brennpunkt verhindern, werden vom danebenliegenden Linsenteil kompensiert. So entsteht - billig, leicht und klein - die perfekte Linse für nahezu jeden Verwendungszweck.

Derzeit arbeiten die Experten daran, die binäre Optik mit mikroelektronischen Bauteilen zu vernetzen und auf diese Weise optoelektronische Elemente zu schaffen, die Daten mit hoher Geschwindigkeit erfassen und gleichzeitig bearbeiten können. Naheliegendes Praxisbeispiel für die zukünftige Anwendung solch amakriner Sensoren: das Computer-Lesegerät ("Scanner").

Bislang tastet die Optik eines Scanners jeden Bildpunkt ("Pixel") der in den Computer einzulesenden Vorlage einzeln ab und gibt das Ergebnis in Form eines kontinuierlichen Datenstroms an den angeschlossenen Rechner weiter; der wiederum muß sich mühsam, ebenfalls Pixel für Pixel, ein Gesamtbild von dem machen, was der Scanner erfaßt hat - eine Prozedur, so langwierig und unbefriedigend wie das Bemühen eines Spanners, durch ein Schlüsselloch das Geschehen in einem großen Schlafzimmers zu erspähen.

Ein mit amakrinen Sensoren bestückter Scanner hingegen könnte die Vorlage gerafft, sozusagen auf einen Blick lesen und es dabei dem Computer (oder seinem Bediener) gleichzeitig ermöglichen, die erfaßten Daten aufzubereiten; »focal plane processing« nennen die Experten diese Art der Bildbearbeitung direkt auf der Abbildungsfläche eines elektronischen Auges.

Vorbild für diese Zukunftstechnik ist die menschliche Netzhaut, die morphologisch ein vorgestülpter Teil des Zwischenhirns ist und es diesem daher erlaubt, sofort (und vor allem selektiv) auf das Wahrgenommene zu reagieren - was nicht ins Konzept paßt, wird vom Gehirn ignoriert.

Diese Eigenart des Gehirns macht sich jener Zweig der binären Optik zunutze, der heute am weitesten entwickelt ist: Tausendfach im Einsatz, wenn auch noch in der Erprobungsphase, sind nach dem binären Prinzip gestaltete Ersatzlinsen für Patienten, denen der Chirurg die vom Grauen Star getrübte Augenlinse mit dem Gefrierstab herausgedreht oder einfach weggesaugt hat.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsenimplantaten, die aufgrund ihrer Bauart entweder auf Nah- oder auf Fernsicht fokussiert sind, bündeln die binären Linsen das einfallende Licht auf zwei Brennpunkte: Der eine fokussiert das Bild direkt auf der Netzhaut, der andere ein wenig dahinter. Das Gehirn wählt dann die Abbildung aus, die ihm am schärfsten erscheint, und übersieht die andere.

Daß auch ihn einmal im Alter der Graue Star anflöge, war eine der großen Ängste, die Augustin-Jean Fresnel sein Leben lang verfolgt haben: »Mon Dieu«, rief der Franzose einmal aus, »welch schreckliches Schicksal, blind zu werden.«

Der Herrgott in seiner Güte hat es ihm erspart, indem er den Gelehrten mit gerade 39 Jahren zu sich nahm.

* Beim Vorführen seines Spektrometers.

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