Multispektrale Bildgebung

Wearable Electronics

Laserprojektion

Lebensmittelanalyse

Sicherheit

Verbesserte Lebensqualität

Jede Person hat im privaten Umfeld in den letzten Jahren von den Fortschritten in der Mikroelektronik profitiert. Vor allem portable Geräte, die zu einer verbesserten Lebensqualität führten, fanden großen Absatz. Mit den MEMS-Technologien des Fraunhofer IPMS lassen sich weitere Produkte realisieren, mit denen dem Wunsch der Gesellschaft nach verbesserter Sicherheit, höherem Komfort bei der Mobilität oder gezielter Unterstützung bei der Wahl von Lebensmitteln Rechnung getragen wird. Technologien, die bislang Experten vorbehalten blieben, können nun von einer breiten Öffentlichkeit genutzt werden.

Multispektrale Bildgebung

Innerer Aufbau der multispektralen Kamera.
© Foto Fraunhofer IPMS

Innerer Aufbau der multispektralen Kamera.

Für viele Anwendungen des täglichen Lebens ist es nötig, spektral breitbandige Bildinformationen zu erhalten – ob in der Sicherheitstechnik zur Überwachung von Flughäfen, Tunneln oder Bahnhöfen, in der Automobiltechnik bei Fahrerassistenzsystemen, in der Fernerkundung und Umweltanalytik, der industriellen Messtechnik, Qualitätsprüfung oder Medizintechnik. Zusätzlich zum sichtbaren Spektralbereich ist insbesondere der infrarote Spektralbereich mit Wellenlängen oberhalb einiger Mikrometer interessant und bietet weitere Bildinformationen, die im Sichtbaren unzugänglich, jedoch für viele Anwendungen sehr nützlich sind.

Das Fraunhofer IPMS hat ein Kamerasystem entwickelt, bei dem Bilder in unterschiedlichen Spektralbereichen simultan mit nur einem Objektiv parallaxenfrei aufgenommen werden können. Der Systemansatz basiert auf einem speziellen Spiegelobjektiv. Im Gegensatz zu Linsen sind Spiegel nicht durch Transparenzbereiche im VIS bzw. IR limitiert. Sie können deshalb über mehrere spektrale Bereiche hinweg eingesetzt werden. Darüber hinaus entstehen keine für die Bildqualität nachteiligen Farbfehler.

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Wearable Electronics

Polymer-Energiewandler eingebettet in die Sohle eines Laufschuhs.
© Foto Fraunhofer IPMS

Polymer-Energiewandler eingebettet in die Sohle eines Laufschuhs.

Die Umwandlung der kinetischen Energie menschlicher Bewegungen in elektrische Energie ist in den letzten Jahren ein attraktiver Ansatz für die Energieversorgung von Wearable Electronics geworden. Die Kombination aus Energiegewinnung und portabler am Körper getragener Elektronik bildet ein autarkes System, welches zum Beispiel in Fitnessgadgets zum Tracken von Temperatur, Geschwindigkeit und Positionsdaten Anwendung findet.

Basierend auf neuartigen elektroaktiven Polymeren hat das Fraunhofer IPMS ein innovatives Energy-Harvesting-System entwickelt, welches klein genug ist, um in Wearables integriert zu werden. Das Element, das mechanische in elektrische Energie umwandelt, basiert auf dünnen Polymerfilmen mit großer relativer Permittivität. Verglichen mit traditionellen piezoelektrischen Konzepten funktioniert es nicht-resonant und kann für Energy-Harvesting aus mechanischen Energiequellen auch im Niederfrequenzbereich optimiert werden.

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Laserprojektion

Laserprojektion kommt beispielsweise im Head-Up-Display eines Autos zur Anwendung.
© Foto Fraunhofer IPMS

Laserprojektion kommt beispielsweise im Head-Up-Display eines Autos zur Anwendung.

In der modernen Informationsgesellschaft ist die Visualisierung von Daten in hoher Qualität von großer Bedeutung und spielt sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Leben eine wichtige Rolle. Um Foto- und Video-Inhalte in angemessener Weise darzustellen, kommen heutzutage vor allem große, hochauflösende Bildschirme zum Einsatz, die mobile Präsentation hingegen gestaltet sich teilweise aus unterschiedlichen Gründen noch problematisch.

Eine in vielfacher Hinsicht geeignete Lösung zur Überwindung der Probleme mobiler Informationsdarstellung ist die Laserprojektion. Dafür entwickelt das Fraunhofer IPMS Scannerspiegel für die Lichtablenkung in ein und zwei Dimensionen und bedient sich dabei des »Laser Beam Steering«-Prinzips zur Bilderzeugung, bei dem ein Laserstrahl schnell über die Projektionsfläche geführt wird Die Scannerspiegel haben einen typischen Durchmesser von ca. einem Millimeter und werden mit etablierten Verfahren der Mikroelektronik im Mikrosystemtechnik-Reinraum des Fraunhofer IPMS aus monokristallinen Silizium-Wafern hergestellt. Für die notwendige Bewegung der Scannerspiegel setzt das Fraunhofer IPMS auf einen elektrostatischen Antrieb mittels kammförmiger Elektroden.

Die Bild- und Videodarstellung mittels Laserprojektion ist in vielen Anwendungsfeldern einsetzbar. Durch den Verzicht auf eine abbildende Optik ist eine scharfe Abbildung auch auf geneigten oder gekrümmten Oberflächen möglich. Von den Vorteilen profitieren so z. B. Head-Up-Displays und sonstige Anwendungen im Automobil, die den Fahrer unterstützen. Methoden der Laserprojektion lassen sich auch für LIDAR-Systeme nutzen, mit denen zukünftig ein teil- oder gar voll-autonomes Fahren möglich wird.

Lebensmittelanalyse

Ob eine Birne Druckstellen hat, bemerkt man leider oft erst daheim.
© Foto Fraunhofer IPMS

Ob eine Birne Druckstellen hat, bemerkt man leider oft erst daheim.

Die Qualität von Nahrungsmitteln zu bewerten, ist für Verbraucher oft nicht leicht. Ob der gekaufte Apfel reif und frisch ist, stellt man letztlich erst beim Essen fest. Ein Spektrometer soll Kunden künftig verraten, wie es um die Güte von Lebensmitteln bestellt ist.

Das Fraunhofer IPMS hat ein Mikrospektrometer entwickelt, das sich in gängige Smartphones integrieren lässt. Die Grundlage der Anwendung ist ein Nahinfrarotspektrometer, mittels dessen der Anteil von Wasser, Zucker, Stärke, Fett und Proteinen in den Produkten bestimmt wird. Dazu beleuchtet das Gerät die Probe mit breitbandigem Licht. Je nach Zusammensetzung reflektiert diese das Licht verschiedener Wellenlängen im Nahinfrarotbereich unterschiedlich stark. Durch intelligente Algorithmen, die die aufgenommenen Spektren sofort analysieren und mit Vorgaben vergleichen, ist es möglich zu ermitteln, wie viel von welchem Stoff im Lebensmittel steckt und dem Kunden sofort eine Kaufempfehlung zu geben oder zu Alternativen zu raten.

Dabei kommt als wesentliches Bauelement ein am Fraunhofer IPMS entwickelter Microscanner mit Beugungsgitter zum Einsatz. Durch die mechanische Bewegung des Spiegels kann ein einfacher und kostengünstiger Detektor eingesetzt werden. Dies bietet im für die Messungen erforderlichen Wellenlängenbereich (z. B. NIR oberhalb 1100 nm), in denen anstatt preiswerter Silizium-Detektoren kostspielige III-V-Halbleiterelemente verwendet werden müssen, erhebliche Kostenvorteile.

Die Anwendungen des Spektrometers beschränken sich nicht auf den Lebensmittelbereich: Es erkennt Plagiate, kann also beispielsweise nachweisen, ob es sich um hochwertige Materialien handelt wie beim Original oder um minderwertigere Ware. Ebenso kann es beim Gebrauchtwagen nachlackierte Stellen enttarnen oder die Inhalte von Medikamenten und Pflegecremes überprüfen.

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Sicherheit

Aufnahme einer Retina durch das Scanning Laser Ophthalmoskop (SLO).
© Foto Fraunhofer IPMS

Aufnahme einer Retina durch das Scanning Laser Ophthalmoskop (SLO).

Mit zunehmender Technologisierung steigt auch die Anzahl nicht autorisierter Zugriffe auf Benutzerkonten und der unberechtigte Zugang zu sensiblen Infrastrukturen. Das abgesicherte Passwort, der geheime Pin-Code oder der Nachweis der eigenen Identität durch einen Ausweis reicht für einen umfassenden Schutz oft nicht mehr aus.

Da das Blutgefäßmuster der Retina, ähnlich wie auch der Fingerabdruck, bei jedem Menschen einzigartig ist, ermöglicht ein Abscannen der Netzhaut die genaue Indentifizierung einer Person. Diesen Umstand machte sich das Fraunhofer IPMS zunutze und entwickelte ein System für die mobile Authentifizierung mittels Retina Scanning um die Sicherheit von Personen und Daten zu erhöhen. Die inhouse entwickelten Mikroscanner des Fraunhofer IPMS sollen dafür in personalisierte Geräte, wie beispielsweise Smartphones, integriert werden und den augensicheren Laserstrahl so lenken, dass er in der Lage ist, die Netzhaut gezielt abzutasten. Die entwickelte Optik erzeugt dann aus den reflektierten Laserstrahlen ein Bild der Retinaoberfläche.

Durch die gesicherte Identität des Nutzers könnten mobile Endgeräte im Sinne einer Schlüsselfunktion eine Vielzahl alltäglicher Aktionen unterstützen, für die ein hohes Sicherheitsniveau notwendig ist. Die Anwendungs­möglichkeiten reichen vom mobilen Banking über elektronische Post, dem Zutritt zur Wohnung bis hin zu Zugangskontrollen zu sensiblen Bereichen und kritischen Infrastrukturen. Gleichzeitig könnte das Gerät auch als mobiles virtuelles Display verwendet werden, welches die Projektion von Informationen auf die Netzhaut ermöglicht. Auf diese Weise können persönliche Daten angezeigt werden, ohne dass Dritte diese einsehen können.