Plenoptische High-Speed-Kamera miniaturisiert

Jointly with the south korean KAIST and two specialized industrial partners researchers at Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration (IZM) developed a special multi lens array camera. To use it in harsh industrial environments and to ensure a compact design, the camera's electronics were miniaturized at IZM using embedding technology.

Die Hochgeschwindigkeitskamera, die mit einem Multilinsenarray ausgestattet ist und Aufnahmen mit einem erweiterten Tiefenschärfebereich ermöglicht, wurde von Forschenden am Fraunhofer IZM gemeinsam mit TecVenture, Optrontec Inc. und dem renommierten Forschungsinstitut KAIST entwickelt. Dank miniaturisierter Elektronik eignet sie sich beispielsweise für den Einsatz zur effizienten Schadensanalytik in industriellen Anwendungen oder für Forschungszwecke.

Mit der Beschleunigung von Produktionsprozessen in der Industrie wird in jedem Schritt eine möglichst hohe Prozesskontrolle gewünscht, weshalb zunehmend Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz kommen. Wenn sich Objekte im Bildbereich bewegen, lässt sich die Fokusebene allerdings meist nicht so schnell nachregeln. Daher sind Kameras vorteilhaft, die bei gleicher Optik einen größeren Tiefenschärfebereich aufweisen. Bei solchen Systemen können anhand der Bilddaten nachträglich die Fokusebenen angepasst werden. Forschende am Fraunhofer IZM haben sich gemeinsam mit Partnern zum Ziel gesetzt, derartige Kamerasysteme miniaturisiert und als Hochgeschwindigkeitskamera zu entwickeln und aufzubauen.

Je nach Anwendung wird die Kamera mit einem entsprechenden Objektiv versehen und das Bild auf einen Vollformatsensor fokussiert. Zwischen Bildsensor und Objektiv wird ein von KAIST und Optrontec in Korea entwickelter Multilinsen- oder Polarisationsfilter-Array in den Strahlengang gebracht. Dies ermöglicht eine größere Tiefenschärfe bzw. einen höheren Kontrast für strukturelle Details des beobachteten Objekts. Die Aufnahmegeschwindigkeit ist mit 2000 Bildern pro Sekunde um bis zu 10mal höher als bei üblichen Kameras. Dadurch werden sehr schnelle und kritische Prozesse in der industriellen Produktion oder in der Forschung für die detaillierte visuelle Analyse zugänglich.

Das Mikrolinsenarray (MLA) besteht aus einem Feld von dicht angeordneten Linsen, die einen Abstand von 150 Mikrometern zueinander haben. Die notwendigen Komponenten zur Versorgung des Bildsensors sind unterhalb des Sensors hochintegriert in einem Embedded Modul untergebracht.

Neben der erheblichen Miniaturisierung der Elektronik durch die Einbettung elektronischer Komponenten in die Leiterplatte und das 3D-Stacking können auch die elektrischen Verbindungen verkürzt werden. Insbesondere bei High-Speed-Systemen erhöht dies die Qualität des übertragenen Signals. Die Elektronik ist nicht zuletzt aufgrund ihres nunmehr weitgehend verkapselten Aufbaus sehr robust. Dieses hochintegrierte Elektronikmodul wurde in der Leiterplattenfertigung am Fraunhofer IZM aufgebaut.

Bereits in den ersten Funktionsprüfungen der Kamera konnte die optimierte Performance nachgewiesen werden. In weiterführenden Arbeiten werden in den nächsten Monaten die Verfahren zur Herstellung verfeinert und in einen industriellen Prozess überführt. Nicht nur für die industrielle Prozessanalyse kann die plenoptische High-Speed-Kamera eingesetzt werden, auch für wissenschaftliche Untersuchungen biologischer, chemischer oder physikalischer Abläufe ist die Kombination aus Geschwindigkeit und Tiefenschärfe äußerst interessant. Das Projekt wird vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der deutsch-koreanischen Forschungskooperation durch das Förderprogramm ZIM gefördert.

Der deutsche Partner TecVenture ist ein Entwicklungshaus im Bereich eingebetteter Systeme, der in Leipzig sitzt. Es setzt sich aus einem Ingenieurbüro und einem Fertigungsunternehmen zusammen und zeichnet bereits seit 1993 für zahlreiche elektronische Baugruppen und Geräte wie auch die dafür unabdingbare Firm- und Software verantwortlich. Kunden sind in den unterschiedlichsten Technikbereichen zu finden; weit über hundert Projekte wurden realisiert. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Entwicklung sicherheitskritischer Anwendungen.

Der südkoreanische Partner Optrontec wurde 1998 gegründet und gehört inzwischen zu den wichtigsten Spezialisten für Optisch-Elektronische Systeme. Das Unternehmen hat sich mittlerweile auf drei Anwendungsfelder ausgerichtet: Kameras und optische Systeme für Mobilanwendungen, für Automotive und für Sicherheitstechnik. Hauptsitz des Unternehmens ist in Pangyo (Region Seoul); Fertigungsstandorte sind in Südkorea (2), China (2) und Vietnam (1).

http://en.optrontec.net, http://tec-venture.de www.kaist.ac.kr, www.izm.fraunhofer.de