3D Kamera der nächsten Generation durch integrierte Mikrooptik

Allgemeines zum Projekt

Projekttitel: 3D Kamera der nächsten Generation durch integrierte Mikrooptik

Betreuer: Prof. Robert Lange

E-Mail: robert.lange@h-brs.de

Anzahl Plätze: 2

Start: Sommersemester 2023

Studiengänge:

• Elektrotechnik Schwerpunkt Elektrotechnische Systementwicklung
• Maschinenbau Schwerpunkt Mechatronik
• Maschinenbau Schwerpunkt Virtuelle Produktentwicklung
• Nachhaltige Ingenieurwissenschaft

Kurzbeschreibung

Photonik gilt unumstritten als eine der Schlüsseltechnologien des 21 Jahrhunderts und Wegbereiter für die Digitalisierung. Deutsche Unternehmen sind Weltmarktführer in zahlreichen Bereichen der Photonik wie Sensorik, Machine Vision, Licht- und Lasertechnik, Analytik oder Mikroskopie. Anwendungsbeispiele sind die optische Umfelderkennung und visuelle Darstellung in Assistenzsystemen, virtuelle und erweiterte Realität (VR, AR), oder autonom agierende Systeme wie Fahrzeuge oder kollaborierende Roboter, aber auch Anwendungen im Bereich Safety und Security, sowie Biometrische Systeme zur Authentifizierung. In unserer Arbeitsgruppe „Intelligente Photonische Systeme (IPS)" entwickeln wir Lösungen für morgen und sind permanent auf der Suche nach motivierten Nachwuchsforschern. Unsere Themengebiete sind vielfältig, von Elektronik und Software bis hin zu Optik und Mikromechanik. Dabei setzten wir keine spezifischen Fachkenntnisse voraus, sondern erwarten insbesondere Interesse und Begeisterungsfähigkeit für unsere F&E-Themen.

Links:
https://www.photonikforschung.de/

https://www.bmbf.de/bmbf/de/forschung/forschung-fuer-arbeit/photonik-eine-schluesseltechnologie-der-digitalisierung/photonik-eine-schluesseltechnologie-der-digitalisierung.html

Im IPS-Team entwickeln wir neue 3D Kamerasysteme. Schlüsselkomponenten für solche smarten Sensorsysteme sind unter anderem die Objektive der Kameras und die Strahlformungsoptiken für die aktive Laser-Beleuchtung. Beide Komponenten sind entscheidend für die Energieeffizienz des Systems, vor allem aber für seine technische Performanz. Allerdings sind kundenspezifische Optikentwicklungen und -fertigungen sehr zeit- und kostenintensiv.

Mit 3D-Druckern nach dem TPP-Verfahren (TPP – Two Photon Polymerization) ist es seit Neuestem möglich, Oberflächenrauigkeiten im Bereich von <2 Nanometern zu erreichen. Damit lassen sich beispielsweise Linsen oder Linsengruppen direkt auf einen Bildsensor drucken. So sind komplexe Kamerasysteme „ohne Objektiv“ möglich. Weitere Anwendungen sind Diffusoren für Laserbeleuchtungssysteme zur Formung des Laserstrahls. Vorteil dieser Diffusoren ist eine auf den Bildsensor angepasste Beleuchtung. Ein solcher high-end TPP-Drucker steht in unserer Arbeitsgruppe zur Verfügung.

Im Bereich kostengünstiger 3D Kameras haben sich zuletzt vor allem aktive Verfahren wie strukturiertes Licht (SL) oder LIDAR (auch Time-of-flight) durchgesetzt. Anders als bei herkömmlichen CMOS-Kamerasystemen ist die Verfügbarkeit solcher Sensoren aber stark begrenzt und spezifische Applikationslösungen oft schwer umzusetzen. In diesem Projekt wollen wir alternative Ansätze entwickeln, wie mit Komponenten „von der Stange“ (Bildsensoren, LEDs, Laser) 3D Kameras realisiert werden können. Ein vielversprechender Ansatz orientiert sich am Verfahren „Depth from (De)focus“. Klassisch wird dabei der Fokus eines Objektivs geringer Schärfentiefe durchgefahren, und so bereichsweise festgestellt, für welchen Fokuspunkt maximale Schärfe erreicht wurde.

Abweichend davon wollen wir hier auf einen variablen Fokus verzichten und stattdessen parallel mit einer Vielzahl von Kamerasystemen unterschiedlicher Schärfenbereiche arbeiten. Damit werden teure Optiken und bewegte Teile vermieden. In einem zweiten Schritt soll das System dann als Mikro-Photonisches System, integriert auf nur einem Bildsensor, miniaturisiert werden. Dazu sollen einfache Objektive mittels TPP-Verfahren unmittelbar auf den Bildsensor aufgebracht werden.

Im Rahmen der beschriebenen Grundideen bieten wir verschiedene Subprojekte zur Bearbeitung an, die Sie – je nach persönlicher Neigung – entweder vertieft bearbeiten oder kombinieren. Im Rahmen dieser Ausschreibung können mehrere Kandidaten beschäftigt werden. Folgende Unterthemen Themen stehen zur Auswahl:

• Vorversuche zum Schärfe- / Unschärfe Ansatz mit Kamerasystem, Std.-Objektiven und Linsenanordnungen.
• Herstellung und Erprobung von Mikro-DOE – Optiken zur Strahlformung von Lasern und Laserarrays. (TPP)
• Herstellung und Erprobung von Mikro-Linsen und Mikrolinsengruppen (TPP Drucker)
• Konstruktion und Erprobung von Unterstützungsstrukturen zur Halterung von Mikroobjektiven auf CMOS Bildsensoren (TPP Drucker)
• Simulationen zu den vorstehenden Themengruppen. (Spezialsoftware steht zur Verfügung).
• Einfache Abbildungsoptik (1- oder 2-Linsen-System)
• Systemaufbau Mikro-3D Kamerasystem
• Verifikation und Validierung des optischen Mikrosystems

Wenn wir Ihr Interesse wecken konnten, melden Sie sich gerne zu einem unverbindlichen Vorgespräch.

Zusatzinfos:      

https://www.nanoscribe.com/de/produkte/quantum-x-shape

https://www.researchgate.net/figure/3D-printed-four-lens-systems-on-the-chip-A-CMOS-image-sensor-with-compound-lenses_fig1_313784716

https://www.fotointern.ch/archiv/2015/11/26/panasonic-stattet-weitere-lumix-modelle-mit-der-postfocus-funktion-aus/

Projektphasen

Masterprojekt 1: Einarbeitung in die Arbeitsumgebungen: Drucker, Spezialsoftware zur Optikberechnung, Messtechnik zur Profilvermessung im Nanometerbereich. Erzeugung erster Strukturen und Verifikation des Workflows / Vorversuche 3D Messung durch Unschärfe.

Masterprojekt 2: Entwicklung und Druck einer Beleuchtungsoptik oder eines Objektivs für 3D‑Kameras. / Entwicklung verbesserter Testsetups / Verbesserungen der Datenverarbeitung

Masterthesis: Optimierungen der Mikrooptiken (DOE/Linsen) / Anwendung und Validierung der entwickelten Optik im Zielkamerasystem.