Oft verkannt und doch extrem wichtig: Die Müllerzellen im menschlichen Auge. Dass wir scharf sehen können, verdanken wir auch diesen Zellen in der Netzhaut. Sie leiten das Licht. Das entdeckte jetzt ein Team von Neurowissenschaftlern und Physikern der Universität Leipzig. Müllerzellen ähneln Glasfaserkabeln:

Unsere Netzhaut, die Retina, ermöglicht uns das Sehen. Hier werden die ins Auge einfallenden Lichtstrahlen durch sogenannte Lichtsinneszellen in eine Erregung von Nervenzellen umgewandelt, die dem Gehirn zugeleitet wird und Grundlage des Seheindrucks ist. Doch unsere Netzhaut hat – wie die aller Wirbeltiere – ein grundsätzliches Problem: Sie liegt umgekehrt, also verkehrt herum, im Auge.

Das heißt: Bevor das Licht die Lichtsinneszellen überhaupt erreicht, muss es erst mehrere Schichten anderer Netzhautzellen durchdringen. Dabei würde es eigentlich an diesen Zellen abprallen, in alle Richtungen gestreut werden und so an Intensität verlieren. Ein unscharfes und lichtschwaches Bild wäre die Folge.

“Das passiert aber nicht und nun ist endlich aufgeklärt warum: weil es in der Netzhaut die Müllerzellen gibt”,

erklärt Prof. Reichenbach, Leiter der Abteilung für Neurophysiologie des Paul-Flechsig-Instituts für Hirnforschung.

“Diese Zellen wirken wie winzige Glasfaserkabel. Sie leiten Licht.”

Über 150 Jahre nachdem sie durch Heinrich Müller entdeckt und beschrieben wurden, sind die Leipziger Forscher damit einer grundlegenden Funktion der Müllerzellen auf die Schliche gekommen.

Wie das Licht zur anderen Seite gelangt
Wie Säulen durchspannen Millionen von Müllerzellen die Retina von einer Seite zur anderen. Sie sammeln mit ihrer trichterartigen Ausstülpung das Licht an der vorderen Netzhautoberfläche, leiten es an den Licht streuenden Strukturen vorbei, und direkt an die Lichtsinneszellen an der hinteren Netzhautoberfläche weiter. Diese Entdeckung ist so bedeutend, schätzen die Wissenschaftler, dass sie zum Umschreiben der Lehrbücher führen könnte. Denn dortsteht über die Müllerzellen bis heute nur: Stützfunktion. Oder gar: Funktion unbekannt.

Die Zelle in der Falle
Die Forscher wiesen die verblüffenden Eigenschaften unter anderem an isolierten Müllerzellen nach – mit Hilfe des “Optical Stretchers”. In dieser optischen Falle wird eine einzelne Zelle zwischen zwei sich gegenüber stehenden Infrarot-Lasern ausgerichtet und dort durch physikalische Wechselwirkungen festgehalten. Schaltet man nun an dem Ende der Zelle, das in der intakten Netzhaut an der vorderen Netzhautoberfläche liegt, einen dritten Laserstrahl hinzu, so leitet die Müllerzelle ihn nahezu unabgeschwächt bis zum anderen Ende weiter.

“So kommt am Messpunkt etwa dreimal mehr Licht an, als wenn man das Laserlicht ohne eine zwischengeschaltete Müllerzelle losschickt”, so Prof. Reichenbach.

Und nicht nur das. Das kleine biologische Wunderwerk vermag die Strahlen sogar um die Ecke zu führen: Verbiegt man die Zelle, folgt auch das Licht dieser Krümmung.

Diese neuen Erkenntnisse gelten nicht nur für das menschliche Auge, sondern für das Auge aller Wirbeltiere und lösen nun das klassische Problem der sogenannten “umgekehrten Wirbeltierretina”. Die Studie entstand in Kooperation mit Prof. Käs und Dr. Guck vom Institut für experimentelle Physik im Graduiertenkolleg InterNeuro der Universität Leipzig und wurde jetzt in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Siemens hat die digitale Bildverarbeitung mit neuen, zuverlässigen Aufnahmeverfahren erweitert, die dreidimensionale Abbilder von teilweise sogar bewegten Objekten aller Art erfassen können.
Diese so genannte 3D-Machine Vision ist vielseitig einsetzbar, wie das Siemens- Forschungsmagazin Pictures of the Future berichtet. Die Technik wird bereits bei der Herstellung von Hörgeräten und bei der Einstellung von Fahrwerken in der Automobilindustrie verwendet.

In einer engen Kooperation zwischen den Sicherheitsexperten von Siemens Building Technologies (SBT) und L-1 Identity Solutions (früher ViiSAGE Technology), einem führenden Unternehmen auf dem Gebiet der Personenidentifikation, wird die 3D-Machine Vision für die Gesichtserkennung bei Zugangskontrollen zur Marktreife gebracht.

Der Vorteil der 3D-Erkennung liegt in der höheren Sicherheit: Wenn ein Gesicht dreidimensional erfasst wird, kann ein System nicht mit dem Foto einer zugangsberechtigten Person getäuscht werden.
Auf der Security-Messe in Essen wurde jüngst ein weiterentwickelter Prototyp vorgestellt, der mit unsichtbarem Streifenlicht im nahen Infrarotbereich arbeitet.

Egal in welchem Bereich die 3D-Technik angewandt wird, das Prinzip ist immer gleich: Ein Projektor beleuchtet ein Objekt mit parallelen Lichtstreifen. Eine Kamera zeichnet das entstehende Muster auf, das eine Art Höhenprofil ergibt. Ein Computerprogramm berechnet dann im Bruchteil einer Sekunde das 3D-Abbild des Objektes. Die Lichtstreifen sind dabei farblich oder zeitlich redundant codiert.
So kann das System jeden einzelnen Streifen eindeutig und zuverlässig bestimmen.
Je nach Kodierung kann das Verfahren, das lediglich auf Standardkomponenten basiert, einen 3D-Datensatz sogar aus einem einzigen Videobild bestimmen und somit auch bewegte Objekte dreidimensional erfassen.

Mittlerweile setzen weitere Siemens-Bereiche die 3D-Machine Vision ein. In der Automobilindustrie wendet Automation and Drives (A&D) die Technik in Fahrwerk-Einstellständen an, bei denen die Oberflächen der sich drehenden Reifen erfasst werden. Siemens Audiologische Technik GmbH (S.A.T.) brachte vor kurzem mit iScan einen Scanner auf den Markt, mit dem Hörgeräteakustiker plastische Abdrücke des Gehörgangs in 3D-Daten verwandeln können. So werden Im-Ohr-Hörgeräte einfacher, schneller und genauer an den Träger angepasst.

Das Scanverfahren passt Hörgeräte für das Innenohr genauer an den Träger an. Mit iScan können Hörgeräteakustiker ein 3D-Abbild eines Gehörgangabdruckes erstellen und es via E-Mail direkt an den Hersteller schicken. Das druckergroße Gerät von Siemens Audiologische Technik beruht auf der Technik der 3D-Machine Vision mit farbcodierter Triangulation. Ein Projektor beleuchtet den auf einem Drehteller befestigten Abdruck mit Farbstreifen aus unterschiedlichen Winkeln.
Je nach der Geometrie des Objekts passen sich die Lichtstreifen der Oberfläche an. Während eine Kamera dieses Muster aufnimmt, verarbeitet eine Computersoftware die Daten hochgenau zu einem virtuellen 3D- Modell, das der Akustiker per Internet an den Hersteller schickt. Ein Verlust oder eine Beschädigung des Ohrabdruckes während des Postversands sind kein Thema mehr.
Das Verfahren spart Zeit, Papier- und Portokosten.

Schließlich erhöhen Automobilhersteller mit der 3D-Machine Vision die Sicherheit und den Fahrkomfort ihrer Fahrzeuge. Mit Hilfe der so genannten farbcodierten Triangulation stellen Mechaniker in Einstellständen die Fahrwerke in kurzer Zeit mit einer Präzision von einer Winkelminute optimal ein. Der Vorteil: Je präziser Reifenspur und Sturzwerte justiert sind, desto gleichmäßiger bewegt sich das Fahrzeug. Damit steigt die Fahrsicherheit, die Straßenlage und der Fahrkomfort verbessert sich. Im Laufe des Vorgangs projiziert ein Projektor parallele Farbstreifen auf das Rad, dessen geometrische Verformung eine Kamera erfasst. Ein Computerprogramm errechnet aus den Daten ein 3D-Abbild des Reifens und vergleicht dessen Einstellung mit eingegebenen Werten.
Nach der erfolgreichen Einführung bei BMW, DaimlerChrysler und Porsche plant Siemens Automation and Drives (A&D), das System auch in Werkstätten für nachträgliche Justierungen einzusetzen

PhotonicNet GmbH Kompetenznetz Optische Technologien:
Bei der Abschlusspräsentation des Projekts EIKon am 10. Mai im Laser Zentrum Hannover wurde eine Verfahrensvariante des Ionenstrahl- Zerstäubens vorgestellt, die speziell auf einen effizienten Transfer in die industrielle Fertigungsumgebung ausgerichtet ist. Gedacht ist hier an eine breite industrielle Erschließung dieses zuverlässigen Prozesskonzeptes für die Herstellung optischer Funktionsschichten mit höchster Qualität und komplexen Übertragungseigenschaften.

Im Rahmen des Verbundprojekts “EIKon – Effiziente Ionenstrahl- Zerstäubungskonzepte für die flexible Optikfertigung” wurde ein Produktionsverfahren für die hochpräzise Beschichtung von optischen Komponenten für die Lasertechnik und Präzisionsoptik erforscht. Im Mittelpunkt standen Prozesskonzepte zum Ionenstrahl-Zerstäuben, das als Beschichtungsverfahren mit dem gegenwärtig höchsten Qualitätsniveau für optische Beschichtungen anerkannt ist. Im Verbundvorhaben EIKon sollte dieses Verfahren in Kooperation mit Industrieunternehmen aus den Bereichen Optik, Anlagenbau und drei ausgewählten Anwendungsfeldern in seiner Produktivität und Wirtschaftlichkeit optimiert werden.

Innerhalb des Vorhabens wurde ein industrietauglicher Versuchsträger realisiert, der abweichend von den gegenwärtig etablierten Konzepten mit einer Breitstrahl- Ionenquelle ausgerüstet ist. Mit der in das Anlagenkonzept installierten, breitbandigen optischen Schichtdickenkontrolle stellt der Versuchsträger einen Prototyp für eine Ionenstrahl-Zerstäubungsanlage dar, der direkt in die industrielle Fertigungsumgebung integriert werden kann. Mit dieser zukunftsorientierten Systemlösung eröffnen sich den Optikherstellern neue Produktklassen im Segment hochwertiger Beschichtungen mit großer Flächenhomogenität.. Für solche Produkte wird im Zuge der rasanten Entwicklung der Optischen Technologien ein deutlich steigender Bedarf prognostiziert.

Die Projekt-Abschlusspräsentation im Rahmen des PhotonicNet Forums “Innovative Beschich­tungsverfahren für die Optischen Technologien” am 10. Mai in Hannover (in Kooperation mit dem Laser Zentrum Hannover und Leybold Optics) stellte Ergebnisse des Projekts “EIKon” vor und zeigt die innovativen Anwendungspotentiale und mögliche Produktspektren der Ionenstrahl-Zerstäubungstechnologie auf.
“EIKon” wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes “Forschung für die Produktion von morgen” gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut.

Keine 7, keine 10 – nein, gleich 111 Megapixel hat ein neuer Kamerachip, den eine amerikanische High-Tech-Firma produziert – das ist Weltrekord für einen Serien-Chip. Bei der Belichtungssteuerung hilft ein Kameraverschluss aus dem Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn. Seinen ersten Einsatz feiert der ultragenaue und besonders robuste “Bonn-Shutter” in einem groß angelegten Projekt des US Naval Observatory (USNO) in Washington: Die dortigen Astronomen wollen zig-Millionen Sternpositionen am ganzen Himmel genau vermessen.

“We have been running your shutter. It is great. Magnificent German engineering.”

So die Reaktion von Dr. Richard Bredthauer, Inhaber der High-Tech-Firma “Semiconductor Technology Associates”
(STA) in Kalifornien. Ihm und seinen Mitarbeitern ist die serienreife Entwicklung des bislang größten Kamera-Chips weltweit mit gigantischen 111 Megapixel gelungen.

Problem dabei: Der Chip sprengt mit seiner Größe von fast 10×10 Zentimetern die Grenzen herkömmlicher Kameraverschlüsse. Richard Bredthauer setzte daher auf das Know-how des Bonner Argelander- Instituts für Astronomie (AIfA). Mit der Entwicklung von Kameraverschlüssen hat man am AIfA seit einigen Jahren Erfahrung. Aber vor dem Engagement von “Semiconductor Technology Associates” hatte die Instrumentierungsgruppe um Dr. Klaus Reif ihre “Bonn-Shutter” unmittelbar für große astronomische Observatorien entwickelt.

Der Grund, gerade in Bonn entwickeln und bauen zu lassen, war bisher die Fähigkeit der Gruppe, besonders große Verschlüsse hoher Präzision zu fertigen. Der vorerst größte – mit einer Öffnung von 48×48 Zentimetern – wurde im Februar 2006 an die Universität von Hawaii ausgeliefert. Kurz danach ging ein Verschluss mit einer Öffnung von
28×28 Zentimetern an die “Australian National University”.

Zwerg unter Riesen
An die Firma STA lieferten die Bonner zwei Verschlüsse.

“Mit einer Öffnung von 150 Millimetern und 125 Millimetern gehören sie für uns eher zu den kleinen Systemen”, erklärt Dr. Reif.

Die Kooperation zeige, dass nicht nur die Größe ein Markenzeichen der Bonn-Shutter sei.

“Geschätzt wird offenbar auch die Präzision und Zuverlässigkeit sowie unsere Flexibilität,wenn es darum geht, das mechanische und elektronische Design mit den Projektverantwortlichen abzustimmen.”

Den Bedarf nach kleinen Verschlüssen spüren die Bonner auch selbst.
Zur Zeit entwickeln sie ein besonders flaches Shuttermodell mit vergleichsweise kleiner Öffnung (100 mm) für das Observatorium “Hoher List”. Es soll am modernsten der dort installierten Teleskope eingesetzt werden. Das Astrophysikalische Institut Potsdam hat ebenfalls Interesse an diesen Modellen gezeigt.

Jeder Fotograf hat übrigens einen ähnlichen Verschluss vor Augen, wenn er einen Film in seiner Spiegelreflex-Kamera wechselt: Eine kleine viereckige Öffnung unmittelbar vor der Filmebene, die mit einer Metall-, Kunststoff- oder Textillamelle verschlossen ist. Bei einer Belichtung wird diese Lamelle von einer Feder blitzschnell von der Öffnung gezogen, um die Filmebene freizugeben, und anschließend eine zweite Lamelle wieder in die Öffnung gezogen, um sie zu verschließen. Bei sehr kurzen Belichtungen folgt die zweite Lamelle, noch bevor die erste ganz verschwunden ist: Es entsteht ein sich bewegender Schlitz.
Daher der Name “Schlitzverschluss”.

Dieses Schlitzverschlussprinzip ist auch die Grundlage der “Bonn- Shutter”. Damit erschöpfen sich aber auch schon die Ähnlichkeiten mit einer konventionellen Kamera. Das liegt nicht alleine an der schieren Größe, sondern vor allem an den hohen technischen Anforderungen. Bei Himmelsdurchmusterungen werden im Verlaufe von Jahren oft mehrere Millionen Aufnahmen gemacht. Der Verschluss muss dabei seine Qualität unverändert behalten. Denn eine astronomische Kamera liefert nicht einfach nur Bilder.
Sie ist vor allem ein Präzisionsmessinstrument zur Bestimmung der Helligkeit von Himmelsobjekten.
Damit das exakt klappt, müssen die Belichtungszeiten für jeden beliebigen Pixel des Aufnahmechips auf weniger als eine tausendstel Sekunde genau eingehalten werden.

Ein Aspekt der Kameraentwicklung von “Semiconductor Technology Associates” freut die Bonner ganz besonders. Die Kamera – und damit der “Bonn-Shutter” – wird für ein astrometrisches Projekt eingesetzt, das in einer Tradition steht, die in Bonn ihren Ausgang genommen hat.

Gemeint ist die berühmte “Bonner Durchmusterung” von Friedrich Wilhelm August Argelander, die er vor mehr als 150 Jahre an der Sternwarte an der Poppelsdorfer Allee durchführte und die ihn zum berühmtesten Bonner Astronomen machte. Mehr als 300.000 Sterne am nördlichen Himmel hat er damals katalogisiert – mit der neuen Kamera wären es wenigstens 100mal mehr gewesen.

Carl Zeiss SMT erhält Auftrag zur Entwicklung eines weltweit einzigartigen Höchstleistungs- Transmissions-Elektronenmikroskops. Gemeinsam mit den Forschern vom Max-Planck- Institut für Biophysik in Frankfurt (Main) entwickelt der Geschäftsbereich Nano Technology Systems von Carl Zeiss SMT ein neuartiges Transmissions-Elektronenmikroskop für höchstauflösende Phasenkontrast-Abbildung biologischer Materialien. Das PACEM genannte System (für Phase Contrast Aberration Corrected Electron Microscope) soll mittels einer neuartigen Phasenplatte und eines Aberrationskorrektors die artefaktfreie Abbildung biologischer Proben ermöglichen und damit den Wissenschaftlern bislang nicht mögliche Einblicke in die molekulare und atomare Struktur biologischer Vorgänge und Wirkungsmechanismen bieten. Das Entwicklungsprojekt steht im Rahmen der Excellence Cluster Initiative „Makromolecular complexes“ und der Einführung von Elite-Universitäten.

Prof. Werner Kühlbrandt, Direktor am Max-Planck- Institut für Biophysik und einer der Koordinatoren des Frankfurter Exzellenz-Clusters, hält diesen neuartigen Ansatz für einen der wichtigsten und vielversprechendsten in der fast 70-jährigen Entwicklungsgeschichte der Elektronenmikroskopie. Mit diesem Projekt soll der lange ersehnte Traum der Elektronenmikroskopiker nach artefaktfreier Abbildung von biologischen Proben Wirklichkeit werden. Denn eigentlich sind biologische Präparate im Elektronenmikroskop nicht sichtbar. Nur durch eine starke Defokussierung der Elektro- nenlinsen lassen sich Bildkontraste erzeugen. Dies führt aber bislang zu unerwünschten Artefakten in der Abbildung, welche die Bildinformationen stark beeinträchtigen.

Im Zuge jüngster Fortschritte in der Nanotechnologie ist es möglich geworden, spezielle aus der Lichtoptik bekannte Phasenkontrastverfahren auf die Elektronmikroskopie zu übertragen. Dazu wird im Zuge des PACEM-Projekts eine elektrostatische Micro-Linse, eine sogenannte Phasenplatte, in die Brennebene des Mikroskops eingebaut. Hierdurch wird die bisher notwendige Defokus- sierung von Linsen obsolet gemacht und in Verbindung mit einem sogenannten Aberrationskorrektor wird die Schärfe der Abbildung und das Auflösungsvermögen signifikant gesteigert. Dr. Rasmus Schröder, maßgeblicher Entwickler der Phasenplatten-Mikroskopie am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt (Main), ist der Überzeugung, dass mit der Phasenplatte erstmalig in der Geschichte der Elektronenmikrosko- pie artefaktfreie Abbildungen biologischer Proben ermöglicht werden.

Carl Zeiss SMT und seine Partnerinstitute werden bei der Realisierung dieses für die Transmissions-Elektronenmikroskopie wegweisenden Projektes durch Fördermittel des BMBF unterstützt.