MEMS Scannerspiegel schärfen Roboteraugen

Dresden, /

Die neuartige LinScan-Scannertechnolgie des Fraunhofer IPMS macht es möglich, bei der Aufnahme von Bildinformationen schnell zwischen Zielpositionen zu wechseln und die Geschwindigkeit des Scanvorgangs dynamisch anzupassen. So ausgestattete 3D-Kameras bieten höhere Auflösung und könnten Roboter der nächsten Generation dazu verhelfen, ihre Umgebung besser zu verstehen und schärfer zu sehen.

Optischer Scankopf mit integriertem MEMS Scannerspiegel-Array
Optischer Scankopf mit integriertem MEMS Scannerspiegel-Array.

Das breite Feld der Service-Roboter ist ein dynamischer, rasch wachsender Markt: Roboter sind stets gefragt, wenn Arbeiten die Sicherheit und Gesundheit des Menschen gefährden, zu beschwerlich oder kompliziert sind oder einfach wirtschaftlicher oder bequemer als von Menschenhand ausgeführt werden können. Doch um komplexe Aufgaben wie etwa die Suche nach verschütteten Erdbebenopfern selbständig und 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. »Mit der LinScan-Scannerarchitektur bietet das Fraunhofer IPMS eine Scantechnologie für 3D-Kameras, die potenziell das menschliche Visualisierungssystem imitiert«, sagt Thilo Sandner, Chefentwickler am Fraunhofer IPMS und erklärt: »LinScan befähigt den Roboter dazu, sein Umfeld abzusuchen und interessante Objekte mit größerer Genauigkeit aufzulösen«.

LinScan: Quasistatisch-resonante Scannertechnologie

Das LinScan-Bauteilkonzept steht für zweidimensional bewegliche, monolithische MEMS-Scannerspiegel. Sie kombinieren einen resonanten Antrieb mit definierter Frequenz in der schnellen horizontalen Achse mit einer variablen quasi-statischen Auslenkung auf der vertikalen Achse. Dies ermöglicht eine Bildaufnahme mit flexibler Abtastgeschwindigkeit und somit ein Scannen mit angepasster Auflösung.

LinScan baut auf der am Fraunhofer IPMS für resonante Mikroscanner entwickelten Fertigungstechnologie auf. Die 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

Um 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 Kamerasystem für Sicherheitsanwendungen und Robotik umzusetzen, hat sich das Fraunhofer IPMS im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes »TACO« mit vier weiteren Forschungseinrichtungen und zwei Industrieunternehmen zusammengetan. Gemeinsam arbeiten die Partner daran, 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 in einem neuartigen Kamerasystem zu kombinieren. Ein erster Prototyp eines optischen Scankopfes mit fünf integrierten synchron betriebenen LinScan-Scannerspiegeln wird auf der Security in Essen vom 25. - 28. September 2012 erstmalig der Öffentlichkeit präsentiert. Dazu lädt das Fraunhofer IPMS die Besucher auf den Messestand 149 in Halle GA ein.

Über Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS realisiert mit 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ein jährliches Forschungsvolumen von 20 Millionen Euro. Mehr als zwei Drittel dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet das Fraunhofer IPMS mit Aufträgen aus der Wirtschaft und mit öffentlich finanzierten Projekten der angewandten Forschung. Im Fokus der Entwicklungs- und Fertigungsleistungen steht die industrienahe Verwertung der alleinstellenden technologischen Kompetenzen auf dem Gebiet der (optischen) Mikro-Elektromechanischen Systeme [MEMS, MOEMS]. Dabei nutzt das Fraunhofer IPMS wissenschaftliches Know-how, Applikationserfahrung und Kundenkontakte sowie moderne Anlagentechnik und Reinraum-Infrastruktur. Das Fraunhofer IPMS deckt eine breite Palette industrieller Anwendungen ab. Das Leistungsangebot reicht von der Konzeption über die Produktentwicklung bis zur Pilotserienfertigung – vom Bauelement bis zur kompletten Systemlösung.

Über TACO

TACO (Three-dimensional Adaptive Camera with Object detection and foveation) ist ein im Rahmen des 7. Rahmenprogramms durch die Europäische Union co-finanziertes Forschungsprojekt. Das Projekt startete im ersten Quartal 2010 unter der Führung der Technikon Forschungsgesellschaft mbH, mit einer Laufzeit von 36 Monaten.

Die Projektpartner im TACO-Projekt: Technikon Forschungs- und Planungsgesellschaft mbH (AT), Shadow Robot Company Limited (UK), Oxford Technologies LTD (UK), TU Wien (A), Fraunhofer-Gesellschaft (DE), Stiftelsen SINTEF (N), und die CTR Carinthian Tech Research AG (AT).