Vision 2012: Mehr Auflösung bei Laserscannen und Laserprojektion

Die neu entwickelte LinScan-Scannertechnolgie des Fraunhofer IPMS eröffnet neue Möglichkeiten für Laserscannen und Laserprojektion. Es kann schnell zwischen Zielpositionen des Laserstrahls gewechselt werden, zudem ist es möglich, die Geschwindigkeit des Abtastens dynamisch anzupassen. So ausgestattete 3D-Kameras oder miniaturisierte Laserprojektoren bieten höhere Auflösung und ermöglichen Lösungen, von denen die Menschen schon lange träumen, wie scharf sehende Roboteraugen oder kompakte Handyprojektoren mit hoher Bildqualität. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS stellt die Technologie auf der Vision 2012 vom 6. – 8. November dem Fachpublikum vor.

Service-Roboter sollen zukünftig Menschen ersetzen können, zumindest wenn es um Arbeiten geht, welche die Sicherheit und Gesundheit gefährden, zu beschwerlich oder kompliziert sind oder einfach wirtschaftlicher oder bequemer als von Menschenhand ausgeführt werden können. Doch um komplexe Aufgaben zuverlässig übernehmen zu können, müssen Roboter nicht nur sehen können, sondern auch in der Lage sein, ihre Umgebung zu interpretieren und ihr Sehen entsprechend zu steuern. Ähnlich wie beim menschlichen Sehen setzt dies voraus, dass der Bereich des schärfsten Sehens, auf der Netzhaut eines menschlichen Auges die sogenannte Fovea, auf Objekte in unserer Umgebung konzentriert wird, die wir als interessant bzw. wichtig empfinden. »Genau das kann eine 3D-Kamera mit der LinScan-Technologie leisten«, sagt Thilo Sandner, Chefentwickler am Fraunhofer IPMS, und erläutert: »Die Kamera imitiert potenziell das menschliche Visualisierungssystem, indem sie das Umfeld zunächst absucht und anschließend interessante Objekte mit größerer Genauigkeit auflöst.«

Auch für den Einsatz in kompakten Laserprojektoren bedeutet die LinScan-Technologie einen gewaltigen Entwicklungsschritt. Anders als bei dem für Picoprojektoren üblichen doppelt-resonanten Scanprinzip, bei dem der Spiegel sinusförmig mit einer festen, durch die Geometrie des Bauelements vorgegebenen Frequenz schwingt, ermöglicht LinScan, den Laserstrahl mit flexibler Abtastgeschwindigkeit von Zeile zu Zeile springen zu lassen und so mit miniaturisierten Scannerarchitekturen eine Auflösung von SVGA (800 x 600) und darüber hinaus zu realisieren.

LinScan: Quasistatische Scannertechnologie

LinScan baut auf der am Fraunhofer IPMS für resonante Mikro­scanner entwickelten Fertigungstechnologie auf. Die Idee besteht darin, die Antriebskämme der bisherigen resonanten Scanner gegeneinander dauerhaft zu verkippen. Damit wird ein linearer Antrieb der Spiegelplatte in einer Achse möglich. Des weiteren kann für einen Projektor einen resonanter Antrieb mit definierter Frequenz in der schnellen horizontalen Achse mit einer variablen quasi-statischen Auslenkung auf der vertikalen Achse kombiniert werden. Diese Bauelemente werden im Mikrosystemreinraum des Fraunhofer IPMS in einem volumenmikromechanischen Fertigungsprozess hergestellt. Alle mechanischen Komponenten entstehen als zweidimensionale Strukturen in einer Schicht aus einkristallinem Silizium. In einem Waferbondprozess mit einem zweiten strukturierten Silizium-Wafer werden die vertikalen Kammelektroden durch Vorauslenkung aus dem Substrat und anschließende Fixierung durch den Waferbond hergestellt. Die vertikalen Elektroden werden hierbei durch mechanische Festkörpermechanismen geführt, von Fertigungstoleranzen ausreichend mechanisch entkoppelt und so exakt zueinander ausgerichtet. Das Bauteilkonzept ist in hohem Maße flexibel und die Realisierung eines breiten Spektrums von Bauteil-Eigenschaften ist möglich.

Erste Umsetzung in einer adaptiven 3D-Kamera

Auf der Vision vom 6. – 8. November 2012 stellt das Fraunhofer IPMS sowohl doppelt-resonante Scannertechnologien als auch LinScan dem interessierten Fachpublikum vor. Während das doppelt-resonante Scanprinzip am Beispiel eines Endomikroskops sowie eines konfokalen 3D-Fluoreszenzmikroskops veranschaulicht wird, zeigen ein erster Prototyp eines optischen Scankopfes mit fünf integrierten synchron betriebenen LinScan-Scannerspiegeln sowie ein Linearprojektor die gegenwärtigen technischen Möglichkeiten des LinScan-Bauteilkonzepts auf. Der Scankopf ist das Zwischenergebnis des Europäischen Verbundforschungsprojektes »TACO«, in dem sich das Fraunhofer IPMS mit vier weiteren Forschungseinrichtungen und zwei Industrieunternehmen zusammengetan hat. Gemeinsam arbeiten die Partner daran, das Prinzip der Foveation, also das grobe Absuchen nach im Sichtfeld auftauchenden Objekten, das Erkennen der gesuchten Objekte sowie die Aufnahme dieser Objekte mit deutlich größerer Auflösung in einem 3D-Kamerasystem umzusetzen. In dem System wollen die Forscher die LinScan-Scannertechnik mit einer dreidimensionalen Objektvermessung basierend auf einer Laufzeitmessung (Time-of-Flight – TOF) sowie Software zur ultraschnellen Objekterfassung und zur Steigerung des Umweltverständnisses kombinieren.

Besucher der Vision 2012 finden die Ausstellung des Fraunhofer IPMS auf dem Stand A22 in Halle 1.

Bild: Optischer Scankopf einer 3D-TOF-Kamera mit integriertem MEMS Scannerspiegelarray. Quelle: Fraunhofer IPMS