Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme: Pressemitteilung zur VISION 2005 vom 08.-10. November 2005 in Stuttgart

Halle 2.0 Stand 2.0.141

(PresseBox) (Dresden, ) Am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden werden kundenspezifische Entwicklungen in den Bereichen Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik durchgeführt. Das Fraunhofer IPMS kann von der ersten Idee über Machbarkeitsuntersuchungen bis zur Prototypenentwicklung Partner sein. In der eigenen Prozesslinie ist eine Fertigung der entwickelten Produkte möglich. Etwa 200 Wissenschaftler arbeiten mit modernstem Equipment an Aufgabenstellungen auf den Gebieten Schaltungsentwurf, Sensoren und Sensorsysteme, mikromechanische Aktoren und Aktorsysteme, Bildgebende Mikrosysteme, Bildverarbeitung und Bilddatenübertragung und organische Elektronik. Auf der VISION 2005 stellt das Fraunhofer IPMS Exponate zu folgenden Themen aus:

1. IEEE 1394b Kamera

Das Fraunhofer IPMS beschäftigt sich seit mehr als 8 Jahren mit dem Standard IEEE 1394 „FireWire“ zur schnellen seriellen digitalen Datenübertragung und zählt damit zu den Vorreitern dieser Technik. Seit geraumer Zeit werden Standard-Produkte sowie Source-Code-Lizenzen für den IEEE 1394 Protokoll-Stack und darauf aufbauende Protokolle wie DCAM, SBP-2, AV/C und IPover1394 vertrieben. Die am Fraunhofer IPMS entwickelten Software-Stacks kommen in einer Reihe von kommerziell erhältlichen Produkten zum Einsatz. Hauptaufgabe ist jedoch die Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen:
Zahlreiche Projekte konnten in den vergangenen Jahren mit industriellen Kunden erfolgreich abgeschlossen werden. Dabei kam bisher vor allem die Variante IEEE 1394a mit maximal 400 MBit/s Datenrate zum Einsatz. Die industrielle Bildverarbeitung verlangt für viele Anwendungen aber höhere Bandbreiten, resultierend aus der Anforderung der Übertragung unkomprimierter Videodaten mit hoher Bildwiederholrate. Die Lösung des Problems besteht in der Verwendung des Standards IEEE 1394b mit verdoppelter Datenrate von 800 MBit/s. Fraunhofer IPMS präsentiert auf der VISION 2005 einen Prototypen einer industriellen Kamera, der mit dieser Schnittstelle ausgerüstet ist und die Übertragung von Bildern mit 1312 x 1032 Pixel und 15 Hz Bildwiederholrate (limitiert durch den verwendeten Bildsensor) gewährleistet. Als Protokoll wird DCAM verwendet. Durch die Integration eines leistungsfähigen DSPs der Firma Texas Instruments im System ist die Implementierung von elementaren Bildverarbeitungsoperationen bereits in der Kamera möglich. Das System ist im wesentlichen als Entwicklungsplattform gedacht. Industrie-Kunden werden mit seiner Hilfe sehr einfach in die Lage versetzt, IEEE1394b basierte Produkte am Markt platzieren zu können, entweder durch eigene Entwicklungen oder entsprechende Beauftragung des Fraunhofer IPMS.

2. Vollfarb-Laserprojektor

In unserer modernen Informationsgesellschaft kommt der Visualisierung von digitalen Daten mit hoher Qualität, sowohl im Arbeitsumfeld wie auch im privaten Bereich, eine immer stärkere Bedeutung zu, die dem Trend nach mehr Komfort, ständiger Verfügbarkeit und Sicherheit entspricht. Diese Formen unterschiedlichster Informationen erfordern immer kleinere, weitgehend mobile und robuste Wiedergabeeinheiten. Ein viel versprechender Ansatz zur Umsetzung dieser Wünsche besteht in der Entwicklung von kompakten Projektionssystemen. Das am Fraunhofer IPMS entwickelte und auf der VISION 2005 präsentierte ultrakompakte Projektionssystem umgeht durch die Nutzung von Lasern als Lichtquellen und weiterer innovativer Bauelemente zur Lichtablenkung/-formung bislang existierende Probleme für die weitere Miniaturisierung von Projektionsdisplays – wie räumlich ausgedehnte bildgebende Elemente und lichtstarke Beleuchtungsmittel, die mit hoher thermischen Verlustleistung einerseits und hohem Energieverbrauch andererseits einhergehen . Der am Fraunhofer IPMS verfügbare resonante Mikroscannerspiegel zur Lichtablenkung bietet eine ideale Ausgangsbasis für die Entwicklung von miniaturisierten Projektionsdisplays. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe mechanische Robustheit und Einfachheit in der elektrischen Ansteuerung sowie der optischen Ein- und Auskopplung aus. Der aktuelle Demonstrator für eine Vollfarb-Bildprojektion mittels Laserquellen und einem resonant arbeitenden Mikrospiegel weist VGA-Auflösung, d.h. 640 x 480 Bildpunkte und 8 Bit Helligkeitsauflösung je Elementarfarbe bei einer Bildwiederholrate von 50 Hz auf. Mit dem Projektionssystem sollen Märkte wie Informationswiedergabe in persönlichen, mobilen Geräten (PDA, Laptop, Infotainment, Benutzerführung), Automobilindustrie (Fahrerassistenzsysteme im KfZ, mobiles Infotainment), Medizintechnik (Erfassung biometrischer Daten, Röntgenpositionierung), Produktionstechnik (Zuschnittprojektoren für die Blech- und Kunststoffverarbeitende Industrie) und Industrielle Messtechnik (Strukturierte Beleuchtung) adressiert werden.

3. 3D-Scanner

Eine Reihe von scannenden Systemen sind bereits für die Erfassung oder Vermessung von dreidimensionalen Objekten verfügbar. Diese Scanner nutzen durchgängig Video- oder mindestens Zeilenkameras für die Bildaufnahme und ermitteln die gewünschte Information zur Objektgeometrie durch spezielle Bildverarbeitungssoftware. Wegen der großen Datenmenge ergeben sich in der Regel hohe Anforderungen an die Rechenhardware. Ein alternativer Ansatz, der auf der VISION 2005 vom Fraunhofer IPMS gezeigt wird, basiert auf dem resonanten zweidimensionalen Mikroscannerspiegel (MOEMS) des Instituts und führt zu einer deutlichen Reduzierung der Datenmenge, da punktförmige Lichtquellen und Detektoren für das 3D-Scanning genutzt werden.

Generell nutzen 3D-Scanner folgendes Prinzip: Ein definiertes Beleuchtungsmuster wird auf das Objekt projiziert, und das reflektierte Licht wird aufgenommen. Die Tiefeninformation wird entweder durch Laufzeiteffekte (bei großem Objektabstand) oder mittels des Triangulationsprinzips gewonnen, bei dem Lichtquelle und Detektor aus unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt ausgerichtet sind. Anstelle einer konventionellen elektronischen Kamera verwendet Fraunhofer IPMS einen Mikroscannerspiegel verbunden mit einer punktförmigen Lichtquelle für das 3D-Scanning. Der Spiegel lenkt vom Objekt reflektierte Lichtstrahlen auf den Photodetektor. Durch synchrone Anregung des Spiegels und Auslese des Detektors kann ein Bild des Meßbereichs gewonnen werden. Dies ist quasi eine Umkehrung des Prinzips in Projektions-Display-Anwendungen. Es ist anwendbar bei Objektabständen im Bereich 10 - 30 cm und nutzt die Triangulationsmethode. Darüber hinaus müssen die zu vermessenden Objekte eine diffus reflektierende Oberfläche aufweisen.

Die auf MOEMS basierende 3D-Scannertechnologie hat insbesondere Vorteile, wenn sehr kompakte Scannerköpfe gefordert sind und ein fokusfreies Scannerprinzip nützlich ist. Zum Scannen sehr naher Objekte kann die Genauigkeit durch eine Blende im Strahlengang weiter verbessert werden. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Miniaturisierung der Scannereinheit: anstatt das Objekt zu bewegen, um einen vollständigen 3D-Scan zu erhalten, kann die Scan-Einheit auf einem Manipulator montiert werden, der sich um das Objekt bewegt. Dieser Ansatz ist interessant für Anwendungen in der industriellen Qualitätskontrolle. Zudem ergeben sich ökonomische Vorteile, da der Mikroscannerspiegel sehr kostengünstig herstellbar ist und die notwendige Signalverarbeitung wegen der geringen Datenmenge keine hochperformante Recheneinheit benötigt.

4. Adaptive Optik: Phase-Former-Kit Demonstrator

Basierend auf dem am Fraunhofer IPMS entwickelten phasenschiebenden MEMS-Flächenlichtmodulator bietet das Institut ein komplettes „MEMS Phase Former Kit“ an. Ursprünglich entwickelt für die hochaufgelöste adaptive Wellenfrontkorrektur, kann es auch in hochpräzisen optischen Messapparaturen zum Einsatz kommen, wie auf der VISION 2005 demonstriert wird. Das System wurde im Hinblick auf eine möglichst einfache Integration in anwendungsspezifische Umgebungen entworfen und bietet eine Plattform für Machbarkeitsuntersuchungen und die Evaluation neuer Anwendungen. Hauptkomponente ist ein fein segmentiertes Array von 240 x 200 einzelnen Senk-Spiegeln mit 40 µm Kantenlänge und 400 nm Hub, die eine 2-Phasenmodulation im sichtbaren Licht erlauben. Jeder Spiegel kann mit Hilfe einer integrierten CMOS-Adresselektronik individuell angesteuert und mit 8 Bit Auflösung ausgelenkt werden. Funktionen der Datenkommunikation und Steuerung der Spiegelmatrix übernimmt eine spezielle Platine, die die Daten von einer Recheneinheit via IEEE 1394 FireWire empfängt. Darüber hinaus wurde eine Treibersoftware für einen PC unter Windows XP entwickelt, die sowohl einen autonomen Betrieb mit vordefinierten Datenmustern als auch einen direkten Datendurchgriff für einen Closed-Loop-Betrieb erlaubt. Dieses System wurde bereits erfolgreich in Applikationen wie der Korrektur von Aberrationen in der Augenheilkunde, Laserpuls-Formung von Femtosekundenlasern und Bewertung der Wellenfrontkorrektur-Eigenschaften in zukünftigen abbildenden System wie Teleskopen erfolgreich getestet.

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