Team 3

Kamerapixel mit Tiefgang: Durchbruch zum schnellen 3D-Sehen

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Die dreidimensionale Umfeldwahrnehmung wird zunehmend in vielfältigen Anwendungsbereichen benötigt. Die schnelle, berührungslose und präzise 3D-Bilderfassung ermöglicht neue technische Lösungen sowie die Verbesserung von bestehenden Produkten in vielen Industriezweigen, beispielsweise in der Automobilindustrie, wo mit einer 3D-Sensorik neue Fahrerassistenzsysteme entwickelt werden können, um der Vision des unfallfreien Fahrens ein wesentliches Stück näher zu kommen. Besondere Fortschritte in der technischen Leistungsfähigkeit von Anlagen und Produkten können auch in der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik und in der Robotik erzielt werden, da hier die räumliche Orientierung von entscheidender Bedeutung ist.

Konventionelle Bildsensoren erzeugen über die einfallende Lichtintensität ein 2D-Bild der Umgebung. Eine 3D-Information kann bisher nur durch großen technischen und kostenintensiven Aufwand, zum Beispiel mit mechanischen Scannern erzeugt werden.

Nach über zwanzig Jahren Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Optoelektronik und Photonik ist Prof. Rudolf Schwarte mit seiner Siegener Forschergruppe ein Durchbruch im Bereich des 3D-Sehens gelungen. Mit neuartigen, einfachen Halbleiterstrukturen ist ein Quantensprung in der technischen Realisierbarkeit von 3D-Bildsensoren erreicht worden. Diese neuen optoelektronischen Halbleiterchips sind mittels eines simplen, technischen Kunstgriffes in der Lage, das von einem Objekt reflektierte Lichtsignal parallel zu detektieren und noch in der Halbleiterstruktur direkt eine räumliche Information zu gewinnen. Das Verfahren wird als sogenannte Photonen-Mischung bezeichnet, die dazugehörigen Sensoren als PMD - Photonic-Mixer-Device (Photo-Misch-Detektor). So kann mit diesen optoelektronischen Sensoren eine 3D-Information in Echtzeit ermittelt werden. Von besonderer Bedeutung ist die deutliche Verringerung des technischen Aufwands und der damit verbundenen Kosten. Zusätzlich kann das Bauvolumen mittels PMD-Array gegenüber konventionellen Systemen (mechanischer Aufbau mit Scanner) um etwa 1:1.000.000 reduziert werden. Die Integration von PMD-Detektoren in kompakte Gehäusebauformen wurde für eine 3D-Kamera mit 16x16 Empfangspixel bereits erfolgreich demonstriert.

Die Technologie ist somit optimal geeignet, die Anforderung zur Gewinnung einer 3D-Information mit einem einzigen neuen Halbleiterbauelement zu lösen; bei geringeren Kosten für das Produkt und gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit und Robustheit des Gesamtsystems. Die Fertigung dieser Sensoren ist dennoch einfach und basiert auf standardisierten CMOS Halbleiter-Fertigungsprozessen.

Die Idee für den Photo-Misch-Detektor hatte Prof. Schwarte bereits im Jahr 1996. Nach mehrjährigen, intensiven Arbeiten am Institut für Nachrichtenverarbeitung (INV) und am Interdisziplinären Zentrum für Sensorsysteme des Landes Nordrhein-Westfalen (ZESS) in Siegen, das von Prof. Schwarte als Initiator 1988 ins Leben gerufen wurde, ist es gelungen, verschiedene tragfähige Halbleiterstrukturen und Schaltungskonzepte zu entwickeln. Zusammen mit dem Zentrum für Mikroelektronik (ZMD) in Dresden konnte man frühzeitig die Idee dieser neuen Halbleiterstrukturen erfolgreich realisieren. Heute gibt es mehrere Halbleiterfirmen und Anwender, die an dieser Technologie großes Interesse zeigen, bzw. bereits Entwicklungsprojekte mit der PMDTechnologies GmbH in Siegen gestartet haben.

Die Funktionsweise des PMD ist verblüffend einfach. Das von einem Sender ausgesendete modulierte Lichtsignal, zum Beispiel unsichtbares Infrarotlicht, beleuchtet die zu vermessende, räumliche Szene. Das reflektierte Licht trifft auf den PMD-Sensor. Da der PMD-Sensor ebenfalls an die Modulationsquelle gekoppelt ist, werden die in Elektronen gewandelten Photonen in Abhängigkeit des Referenzsignals noch im Halbleiter pixelweise mit Hilfe einer Ladungsträgerschaukel entfernungsselektiv getrennt. Durch diesen einfach realisierten Vergleichsprozess zwischen dem optischen Mess- und dem elektronischen Referenzsignal stellt das resultierende Ausgangssignal bereits direkt einen Bezug zur 3D-Information dar. Entscheidend ist dabei, dass durch das Wirkprinzip bereits eine Hintergrundlichtunterdrückung (Licht beispielsweise durch die natürliche Sonneneinstrahlung) realisiert ist, um das aktive Sendersignal aus dem Umgebungslicht zu filtern. Diese konventionell komplexe Signalverarbeitung ist ebenfalls über das PMD-Detektionsprinzip in den einfachen Halbleiterstrukturen verwirklicht worden, die so den technischen Aufwand der Generierung einer 3D-Information deutlich reduzieren.

Die PMD-Technologie bietet durch dieses optoelektronische Vergleichs- bzw. Korrelationsverfahren auf Basis einer Photonen-Mischung nicht nur große Vorteile im 3D-Sehen, sondern kann auch in weiteren Anwendungen entscheidende Veränderungen mit sich bringen.

Die mit der PMD-Technologie mögliche pixelweise Korrelationsmessung kann neben der Benutzung als 3D-Sensor auch Anwendungen im Bereich der jeweils mehrdimensionalen, optischen Analyse chemischer und biologischer Prozesse, der optischen Messtechnik und der Signalverarbeitung finden. Besonders hervorzuheben ist die Anwendung der PMD-Technologie im Bereich der optischen Kommunikationstechnik. Hier können die heutigen Lösungsansätze, zum Beispiel in der Freiraum-Kommunikation, des Wireless-LAN und der optischen Signalübertragung in Rechnersystemen um vielerlei neue Optionen erweitert werden.

Es gibt kaum eine andere Halbleiter-Komponente, die die Möglichkeit bietet, eine derartige Anwendungsvielfalt zu realisieren. Die PMD-Technologie als neue Generation intelligenter, optischer Sensoren besitzt das Potenzial ein Innovationstreiber in mehreren Branchen zu werden.

Ein interessantes Einsatzgebiet für die PMD-Technologie ist die Verbesserung der aktiven und passiven Sicherheit im Automobil. So wird PMD bereits heute für die Entwicklung von Systemen zur Optimierung von Airbag-Systemen durch eine räumliche Detektion der Insassenposition eingesetzt. Für die Vision eines unfallvermeidenden Autos ist die PMD-Sensorik, durch die 3D-Umfelderfassung in Echtzeit, eine Schlüsseltechnologie. Mit neuartigen Fahrerassistenzfunktionen, die unter anderem mit der PMD-Technologie realisiert werden, kann die Verkehrssicherheit für Fußgänger und Fahrzeuginsassen erheblich verbessert werden. Nach einer Studie von J.D. Power eröffnet sich für Fahrerassistenzsysteme in den nächsten Jahren ein weltweites Marktpotenzial von bis zu zwölf Millionen Fahrzeugen pro Jahr.

Weitere Anwendungsgebiete der PMD-Technologie erschließen sich im Bereich der Robotik und Automatisierungstechnik und - durch die kostengünstige Realisierung des PMD - auch im privaten Haushalt. Seit einigen Wochen finden Heimstaubsauger mit spezieller Sensorik zur Entfernungsmessung Einzug in den Markt. Diese können mit einer PMD-Sensorik zukünftig weiter verbessert und leistungsfähiger gemacht werden. Im Bereich der Sicherheitstechnik und Überwachung von Gefahrenzonen kann PMD durch die schnelle, berührungslose 3D-Erfassung entscheidende Fortschritte bringen und die Sicherheit von Personen in der industriellen Fertigung verbessern.

Experten sind sich sicher, dass nach dem Siegeszug der Elektronik nun die Zeit der Photonik und Optoelektronik anbricht. Heute ist Deutschland gerade auf diesen beiden Gebieten noch führend. Mit Innovationen wie dem PMD und den damit verbundenen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des 3D-Sehens wird diese führende Rolle unterstrichen und führt damit zu einem Potenzial für innovative Produkte und der nachhaltigen Schaffung von Arbeitsplätzen.

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Das Projekt „Kamerapixel mit Tiefgang: Durchbruch zum schnellen 3D-Sehen“ wurde vom Bundesverband der Deutschen Industrie vorgeschlagen.