Optomechatronik - Hannoversches Zentrum für optische Technologien

Bernhard Roth
Herausgeber
Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Siebter Workshop
Optische Technologien
Optomechatronik
Tagungsband
PD Dr. Bernhard Roth
Herausgeber
Hannoversches Zentrum für optische Technologien
Siebter Workshop
Optische Technologien
Optomechatronik
Tagungsband
26. November 2013
Herausgeber:
Bernhard Roth
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TEWISS-Technik und Wissen GmbH, 2014
An der Universität 2, 30823 Garbsen
Tel: 0511-762-19434, Fax: 0511-762-18037
www.pzh-verlag.de, mail: [email protected]
ISBN 978-3-944586-55-7
Verlag:
PZH Verlag
Der PZH Verlag ist Teil der TEWISS-Technik und Wissen GmbH, einem Unternehmen der
Leibniz Universität Hannover.
Herstellung: Digital Print, Garbsen
Printed in Germany
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Vorwort
Optische Technologien sind Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Dafür werden Systeme hin zu immer höherer Präzision und Leistung entwickelt
und die Wechselwirkungen zwischen optischem, mechanischem, thermischem
und elektronischem Systemverhalten sind zunehmend wichtig. Unter Optomechatronik sind in diesem Kontext sowohl die Entwicklungsmethodik solcher
Systeme, bestehend aus spezifischen Prozessmodellen, Heuristiken, Methoden und IT-Werkzeugen, als auch die Systeme und ihre technologischen Enabler selbst zu verstehen. Simulationen ermöglichen für einige Anwendungen
bereits heute die Auslegung und Optimierung optomechatronischer Systeme
anhand multikriterieller Zielfunktionen und mittels Skriptsprachen verknüpfter
Modelle, teils auch für Multiskalenprobleme. Trotzdem stehen die Anwender
im Bereich der Simulation wie auch der Methodik vor großen Herausforderungen. Faszinierende Technologien wie MEMS, deformierbare Spiegel und
Linsen oder Matrix Lichtquellen ermöglichen konzeptionell ebenso völlig neue
Lösungen wie hochintegrierte Bauteile mit optischen und mechanischen Eigenschaften die durch unterschiedliche Direct Manufacturing Verfahren herstellbar werden.
In dem Workshop wurden diese Themen aus Sicht der Anwendung in Vorträgen näher beleuchtet und Erfahrungen darüber ausgetauscht. Das vorliegende Tagungsband stellt die Beiträge der Referenten noch einmal gesammelt
dar.
Die Veranstaltung wurde von dem PhotonicNet in Kooperation mit dem Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) durchgeführt. Einen
herzlichen Dank an alle Mitwirkenden sowohl für die interessanten Vorträge
als auch für die angeregten Diskussionen, die zum Erfolg dieses Workshops
beigetragen haben. Das Engagement aller Beteiligten ermöglichte einen rundum gelungenen siebten Workshop Optische Technologien mit zahlreichen Gästen aus Industrie und Forschung und viel positiver Resonanz.
Hannover, den 18. März 2014
PD Dr. Bernhard Roth
Dr.-Ing. Thomas Fahlbusch
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
3
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
4
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Vorträge
1 Einsatz vom MEMS und MOEMS in der Medizintechnik –
ein Praxisbeispiel
Dipl.-Ing. Friedrich Lüllau
7
2 Integration optischer und mechatronischer Komponenten
für innovative Systeme der computer- und
roboterassistierten Chirurgie
Dr.-Ing. Lüder Alexander Kahrs
23
3 Stabilisierung von Laserstrahlen mit selbstlenkenden Systemen
Dr. Thomas Müller-Wirts
37
4 Piezokeramische Dickschichttechnik für optische Anwendungen Deformierbare Spiegel und hochintegrierbare Stellelemente
Bernhard Bramlage
63
5 Tunable MEMS axicon mirror arrays
Jens Brunne, Prof. Ulrike Wallrabe
83
6 Intelligente Lichtfunktionen zur Unterstützung der
Fahrzeugquerführung
Dipl.-Ing. Joscha Roth, Dipl.-Ing. Sebastian Thomschke
99
7 Direct Manufacturing optomechatronischer Komponenten
Dipl.-Ing. Alexander Wolf
117
8 Bildrückgeführte Kalibrierung eines optomechanischen Bildderotators mit einer 6-Achsen-Parallelkinematik
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin Rohloff
127
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
1 Einsatz vom MEMS und MOEMS in der
Medizintechnik – ein Praxisbeispiel
Dipl.-Ing. Friedrich Lüllau
Lüllau Engineering GmbH
Zeppelinstr. 23
D-21337 Lüneburg
Tel.: +49 4131 709799-0
Email: [email protected]
Internet: http://www.skintrek.com
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Digital Phototherapy with skintrek®
Einsatz von MEMS und MOEMS in der Medizintechnik – ein Praxisbeispiel
High‐tech for Dermatology
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7. Workshop Optische Technologien
© Lüllau Engineering GmbH
1
Agenda
1. The Company Lüllau Engineering GmbH
2. Medical Background
3. Technology of Digital Phototherapy with skintrek®
4. Clinical investigations and reports
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7. Workshop Optische Technologien
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© Lüllau Engineering GmbH
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Company
The company Lüllau Engineering was founded in1996 by Dipl.‐Ing. Friedrich Lüllau as an engineering office. Since 2009 focused on the development and production of medical devices In 2010 conversion in a GmbH
Medical QM‐Certification ISO 13485
Special know‐how about DLP‐Technology, automation, optics and software design (image processing)
More than 10 international patents for different applications
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Management and employees
Dipl.‐Ing. Friedrich Lüllau, CEO
Electronic engineer (University of Hannover)
More than 25 years experiences as entrepreneur
Dr. rer. Nat. Matthias Kock, CTO
Friedrich Lüllau
Physicist (University of Berlin) Extensive know‐how in optics, automation, QM
Matthias Kock
Dipl.‐Phys. Torben Lüllau, COO
Physicist (University of Hannover)
Business Administration degree (University Hagen)
Know how in medical radiation physics
Torben Lüllau
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7. Workshop Optische Technologien
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Board of Medical Advisors
Prof. Dr. med. Thomas Werfel
Medical director of the Clinic for Dermatology, Allergy and Venerelogy at Hannover Medical School
Prof. Dr. med. Thomas Werfel
Prof. Dr. med. Jörn Elsner
Owner of dermatological practice Professor Elsner in Bremen
Prof. Dr. med. Jörn Elsner
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Technical Research and Development
Cooperating Universities
Leuphana University of Lüneburg
Institute of Automation Engineering
‐> Optical laboratory and support
University of applied Science and Arts of Hannover
Institute of Electrical Engineering and Information Techn.
‐> Software and electronics
Leibniz University of Hannover
Institute of Information Technology
‐> Image processing software
Hannoversches Zentrum Optische Technologien (HOT)
‐> Optical research and development 26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Medical Research and Support
Cooperating Universities
Medical University of Hannover, Germany
‐> Clinical investigation with skintrek PT5 and PT3 (planned) since beginning of 2012
Medical University of Göttingen, Germany
‐> Clinical investigation with skintrek PT3 since 08/2013
Medical University of Vienna, Austria ‐> Clinical investigation with skintrek PT5 and PT3 since 09/2013
Medical University of Graz, Austria
‐> Clinical investigation with skintrek PT5 since 09/2013
Charité Medical University of Berlin, Germany
‐> Clinical investigation with skintrek PT3 since 09/2013
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7. Workshop Optische Technologien
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Medical Background
Phototherapy
Therapy of skin diseases with UV radiation:





Psoriasis
Vitiligo
Atopic dermatitis
Cutaneous T‐cell lymphoma (type of skin cancer)
…..
Psoriasis
About 2% to 3% of the people in Europe, North America and Asia are suffering from psoriasis, about 1% from Vitiligo
Biggest problem: reduced quality of life and psychological strain
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Vitiligo
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Medical Background
Effect of UV‐light / phototherapy on the skin
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Medical Background
State of the Art
Today’s UV‐Phototherapy radiates the whole body or parts of the body with UV‐light
Disadvantages:
 UV‐radiation of healthy skin
 Risk of carcinoma
 Aging of the skin
 Sunburn
 Skin pigmentation
 Energy dose is limited to the MED
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Medical Background
State of the Art
UV‐Phototherapy with Excimer‐Laser (308 nm): Radiation is delivered via a hand‐held device, which is connected by fiber optic cable to the Excimer laser
Advantages:
 Psoriasis: Dose can be higher than MED
 Fewer treatments  Protection of healthy skin
Disadvantages:
 Shape of the radiation is not very precise
 Evenness and dose of the radiation depends on the skill of the doctor
 Increased hands on time for the doctor (costs)
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Digital Phototherapy with skintrek®
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Digital Phototherapy with skintrek®
Functionality and advantages
Automated detection of lesions on the skin
Automated calculation of the topography of the skin / body
Automated tracking of patient movements
Switchable UV‐radiation: UVA: 320nm – 400nm; UVB: 300nm – 320nm
UV radiation with automated high contour precision (targeted phototherapy)
Protection of healthy skin to minimize skin cancer and other side effects (e.g. skin aging, skin pigmentation etc.)
Psoriasis: Higher UV dose than MED applicable for less therapy sessions and perhaps longer remission time
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Digital Phototherapy with skintrek®
skintrek® devices are offering a wide usability!
Phototherapy: Targeted UV‐Therapy with UVB and with UVA (PUVA)
•
•
•
•
Psoriasis
Vitiligo
Different kind of dermatitis
Cutaneous T‐Cell‐Lymphoma
Photo‐Diagnostic
• MED‐Test, MPD‐Test
• Photopatchtest
Attractive treatment documentation
• Patient data, treatment photos, calculation of lesion size
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Digital Phototherapy with skintrek®
Video
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Digital Phototherapy with skintrek®
skintrek® Technology
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Digital Phototherapy with skintrek®
Functional principle of the digital phototherapy
Continuous rays from a UV‐light source are digitized through a micro electro mechanical system (MEMS)
Using a DMD (Digital Micromirror Device) from Texas Instruments: 786,432 mirrors with measurements of 0.01mm x 0.01mm to digitize the UV‐light
The “pixel‐rays” can be controlled pixel‐by‐pixel and are projected onto the skin surface over an area of approx. 0.27mm x 0.27mm (skintrek® PT3)
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Technical Data of Discovery 0.7 XGA UV DMD
active area
14,008 x 10,506 mm²
number of mirrors
1024 x 768 (XGA resolution)
pixelpitch
13,68 µm
mirror tilt
± 12°
window transmission (UVA AR coated)
@ 350nm
> 90%
@ 310nm
> 50%
active cooling required
max. 30 – 35 °C
apertur
> 92%
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Technical Challenges














Economical aspects
Quality aspects (MPG)
Window coating DMD
DMD cooling
Pixel number DMD vs. camera
Angle between DMD vs. camera
Limitation due to system Étendue
High power output
Light source / light intensity / live time
Evenness of Illumination / light density
Optics and UV light
Optical distortion
Topography of the patient
Lesion detection (different diseases and different skin types
 Patient movement
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Technical Challenges














Economical aspects
Quality aspects (MPG)
Window coating DMD
DMD cooling
Pixel number DMD vs. camera
Angle between DMD vs. camera
Limitation due to system Étendue
High power output
Light source / light intensity / live time
Evenness of Illumination / light density
Optics and UV light
Optical distortion
Topography of the patient
Lesion detection (different diseases and different skin types)
 Patient movement
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
skintrek® PT3 software functionalities
Technology DMD + camera
Digital Phototherapy with high contour precision
Tracking of
patient‘s
movements
Topology
determination
Automatic skin lesion
detection
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skintrek® PT3 software functionalities
Software layout and main functionalities
Patient information
Side menu
Main menu bar:
• Patient management
• Treatment statistics
• MPD / MED
• Treatment
• Options
Window to display camera images and/or menu feature
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skintrek® PT3 software functionalities
Treatment
Tool: Edge gradient
• Adjustable dose profiles at the edges of the lesions
• Important tool, if higher doses are applied to the skin
• 4 different values selectable
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skintrek® PT3 software functionalities
Treatment
Tools & treatment parameter Live camera images
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skintrek® PT3 software functionalities
Service menu
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Example for psoriasis vulgaris, PUVA therapy
Initial
11 treatments
5 treatments 26. November 2013
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Digital phototherapy: Example of a treatment
after 8 treatments
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UVB treatment of psoriasis plaques with skintrek®
Start
After 5 treatments
After 11 treatments
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Evaluation of patients treated with skintrek®
1. How satisfied are you with skintrek therapy?
not satisfied (n=0)
satisfied (n=7)
very satisfied (n=13)
0
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© Lüllau Engineering GmbH
Thank you for your attention!
High‐tech for Dermatology
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
2 Integration optischer und mechatronischer
Komponenten für innovative Systeme der
computer- und roboterassistierten Chirurgie
Dr.-Ing. Lüder Alexander Kahrs
Institut für Mechatronische Systeme - imes
Appelstraße 11a
D-30167 Hannover
Tel.: +49 511 762-4179
Email: [email protected]
Internet: http://www.imes.uni-hannover.de
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Integration optischer und mechatronischer Komponenten für
innovative Systeme der computer- und roboterassistierten Chirurgie
Institut für Mechatronische Systeme
Leibniz Universität Hannover
Appelstraße 11 A
30167 Hannover
Dr.-Ing. Lüder Alexander Kahrs
E-Mail: [email protected]
Internet: www.imes.uni-hannover.de
Telefon: 0511 – 762 4179
Telefax: 0511 – 762 19976
Leiter Forschungsgruppe
Medizintechnik und Bildverarbeitung
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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Institut für Mechatronische Systeme
Institutsleitung
Institutsleiter:
Oberingenieur:
Sekretariat:
Professor Dr.-Ing. Tobias Ortmaier
Dipl.-Ing. Matthias Dagen
Gisela Weigt
Forschungsgruppen
Werkstätten
Medizintechnik
&
Bildverarbeitung
Identifikation
&
Regelung
Leitung: Dr.-Ing. Lüder A. Kahrs
Leitung: OI Matthias Dagen
Leitung: Dr.-Ing. Jens Kotlarski
Schwerpunkte:
Schwerpunkte:
Schwerpunkte:
 Computer- und Roboterassistierte
Chirurgie
 Geregelte Laserablation von Gewebe
 Medizingerätetechnik
 Neue chirurgische Instrumente
 Navigation und Registrierung




Modellierung, Simulation, Optimierung
Beobachter
Parameteridentifikation
Regelungstechnik




Kinematik
Dynamik
Bahnplanung
Autonome Systeme
ElektronikWerkstatt
Leitung: Helmut Döhne
MetallWerkstatt
Leitung: Jürgen Anton
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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Robotik
&
Autonome Systeme
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Dr.-Ing. Lüder Alexander Kahrs
 Studium der Physik, Universität Bremen (bis 2002)
 Vertiefungsrichtungen: Angewandte Optik und experimentelle Festkörperphysik
 Wissenschaftlicher Mitarbeiter (2003-2009)
 Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik, Universität Karlsruhe (TH)/KIT
 Promotion (Fakultät für Informatik)
 Postdoc, HNO-Klinik, Universität Düsseldorf (2009/2010)
 Postdoc, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, TN, USA (2010-2012)
 Gruppenleiter, Institut für Mechatronische Systeme, Fakultät für Maschinenbau, LUH (2013-…)
10 Jahre Computer- & roboterassistierte Chirurgie
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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Forschungsgruppe Medizintechnik & Bildverarbeitung
Computer- und
Robotergestützte
Chirurgie
Entwicklung neuer,
chirurgischer
Instrumente
Laserablation
Implantate
3D-Messtechnik
HNO-Chirurgie
Registrierung
Segmentierung
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26
26. November 2013
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Roboterassistierte Laserknochenablation
Burgner, Kahrs et al.
Zukünftiger Prototyp mit
kombinierter RoboterLaser-Einheit
Optische Pfade von
Er:YAG- und OCT-Laser
mit gemeinsamen
Scanvolumen
Experimental-Aufbau am KIT
(2009/2010)
Fuchs et al.
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Computerassistierte Laserknochenablation
Fuchs et al.
Burgner et al.
Genaues Schneiden von Knochen
Live OCT-Bildgebung während einer Laserablation
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Planen und Messen von Ablationen
26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Mechatronisch-unterstütztes Setzen von Knochenbohrungen
Segmentierte Strukturen
aus CT-Daten
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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Eilers et al.
Roboter mit
chirurgischem Bohrer
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c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Mechatronisch-unterstütztes Setzen von Knochenbohrungen
Planung von Zugangswegen unter Berücksichtigung von Risikostrukturen
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Mechatronisch-unterstütztes Setzen von Knochenbohrungen
Kahrs, Riechmann, et al., unpublished material, 2009
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Optische Kontrolle: Endoskopische Überlagerung von CT-Daten
Hussong et al.
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Optische Kontrolle: Endoskopische Messung
POC
z z1
z32
R3
R2
PI
R1
Triangulation
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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26. November 2013
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Optische Kontrolle: Endoskopische Messung
(-1.24,0.77,10.87)
1.99mm
(-1.09,-1.11,11.5)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Optische Kontrolle: Datenfusion OCT und CT
Nahfeldnavigation: Korrektur der ungenauen Initiallage (a) durch
Auswertung der OCT – Bildgebung (b)
Díaz Díaz et al.
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Kundrat et al.
Neues chirurgisches
Instrument
3D-Rekonstruktion
der Stimmlippen
Pengwang et al.
Schoob et al.
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26. November 2013
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Erweiterte Realität: Laserprojektor
Kobler et al.
Visualisierung von Blutgefäßen an der Innenseite der Schädeldecke
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
26. November 2013
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Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Erweiterte Realität: Klinische Evaluierung
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Erweiterte Realität: Positionierhinweis mit Stereoprojektor
Projektor 2
Projektor 1
Knochensegment
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
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26. November 2013
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beispiele computer- und roboterassistierte Chirurgie
Kombination optischer und mechatronischer Methoden




Laserknochenablation
Bohrkanäle im Knochen mit optischer Kontrolle
Mechatronische, endoskopische Instrumente
Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
26. November 2013
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Computer- und
Robotergestützte
Chirurgie
Entwicklung neuer,
chirurgischer
Instrumente
Laserablation
Implantate
3D-Messtechnik
HNO-Chirurgie
Registrierung
Segmentierung
Dr.-Ing. Lüder Alexander Kahrs
Leiter Forschungsgruppe
Medizintechnik und Bildverarbeitung
Institut für Mechatronische Systeme: www.imes.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
26. November 2013
35
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
36
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
3 Stabilisierung von Laserstrahlen mit
selbstlenkenden Systemen
Dr. Thomas Müller-Wirts
TEM Messtechnik GmbH
Grosser Hillen 38
D-30559 Hannover
Tel.: +49 511 510896-30
Fax: +49 511 510896-38
Email: [email protected]
Internet: http://www.tem-messtechnik.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
37
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Stabilisierung von Laserstrahlen mit
„selbst lernenden“ Systemen
Messtechnik
oder
„...warum soll ICH das
eigentlich justieren?“
Thomas Müller-Wirts
TEM Messtechnik GmbH
Großer Hillen 38
30 559 Hannover
Tel. 0511 510896 -31
www.TEM-Messtechnik.de
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
Inhalt
•
•
•
•
•
•
(ganz) kurze Vorstellung (TEM Messtechnik GmbH)
Laserstabilisierung, insbesondere 4D-Strahllageregelung
Beispiele aus der Praxis (Industrie und Wissenschaft)
Auto-Alignment
Feed-Forward-Techniken („Beam-Rail“, Schienen aus Licht)
physikalisch-mathematische Grundlagen mehrdimensionaler
Regelsysteme
• Kurze Vorführung eines Aligna®-Systems
TEM Messtechnik GmbH
38
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Ganz kurze Vorstellung der Fa. TEM Messtechnik GmbH
• Gegründet: 1986 als TEM Elektronik
• seit 1999 als TEM Messtechnik GmbH
• Firmensitz: Hannover – Kirchrode
• Mitarbeiter: 15 feste + Dipl. + Praktik.
Thomas Müller-Wirts
Thomas Kinder
Jan Schubmann
Dr.rer.nat, Dipl.-Phys.
Dr.rer.nat, Dipl.-Phys.
Dipl.-Ing. E-Tech.
Entwicklung Laserstab.
Frequenzstabilisierg.
Produktion
Strahllagestabilisierung
Phasenstabilisierung
Einkauf
selbst lernende Systeme
Interferometrie
Auftrag
Lösungen an der Schnittstelle von Optik und Elektronik
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
“Philosophie“
Laser (und viele andere Geräte) haben oft eine nicht ausreichende Stabilität
• Laserfrequenz
• Intensität
• Repetitionsrate
• Pointing
Reaktion:
• Der Laser muss stabiler werden!
Oftmals aber viel effektiver und preiswerter:
• Instabilität messen und korrigieren
• Ein Laserstrahl „wiegt nichts“
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
39
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
NoiseEater
…no noise, please!
“Cutting“ of the noise above a selectable set point
Precision controlling of the laser intensity
NoiseEater Control Unit
Aktors:
• AOMs
• EOMs
• MZM (integr. opt. EOMs)
• Piezo (e.g. in fiber coupling)
• Mikrostepper rotation unit
„Auto-Setpoint“: max. output power without noise (optical low pass)
TEM Messtechnik GmbH
Aligna®: 4D-Beam Alignment and Stabilization
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
40
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
2 PSDs fix two points of the beam => 4D Detection
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
Lens transforms angle PSD (A) to “infinity“
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
41
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
just ONE Beam Sampler, close to the target
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
compact PSD 4D
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
42
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
4D-Actors: Piezo and/or motorized Actors
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Schalten eines ps-Lasers
zwischen mehreren Arbeitsstationen
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
43
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Dynamic Pointing Stabilization in a
PV Laser Processing Machine
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
Messtechnik
JAEA (Japan Atomic Energy Agency ), Osaka
Pointingstabilisierung des Seed-Lasers
eines Peta-Watt-Systems
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
44
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
JAEA: fs Peta-Watt-System
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
Messtechnik
GEKKO:
40 Peta-Watt-, 40 kJ-Systems
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
45
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
GEKKO: 40 Peta-Watt-, 40 kJ-Systems
Seeder, pre-Amp
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
Messtechnik
GEKKO: Supraleitender Faraday-Isolator
vor der Fusionskammer
TEM Messtechnik GmbH
46
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
GEKKO: „Das Allerheiligste“: die Fusionskammer
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
Bidirektionaler Kommunikations-Link über 144 km(!)
La Palma  Teneriffa
(Universität Wien, A. Zeilinger, R. Ursin)
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
47
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Transceiver :
- Sender
für verschränkte Photonen
Messtechnik
- Empfänger / Sender f. Beacon
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Bessy, Berlin Electron Storage Ring:
30 Meters from Laser to Experiment
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
48
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Uni Mainz & CERN: 800 nm, 400 nm, 200 nm
Überlagerung
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
Messtechnik
FRM II, Neutronenforschungsreaktor Garching:
Ausrichtung der Neutronenleiter mittels 14 PSDs
TEM Messtechnik GmbH
 Spur-Verfolgung
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
49
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Autoaligment with „AimPD“
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Autoaligment with „AimPD“
Photodiode
TEM Messtechnik GmbH
50
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Autoaligment with „AimPD“
Photodiode
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Autoaligment with „AimPD“
Photodiode
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
51
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
BeamRail: Schienen aus Licht
Mo
Mz
Mf
Mo
Obj
Mx
Mp
Mx
My
Ma
Laser
Mf
PSD
4D
Obj
My
My
Mp
Laser
Mo
Mp
XY-Portalanlage
XYZ-Portalanlage
Mit BeamLock 4D
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
„verbogene mechanische Rail“
PSD
4D
Deformationen:
• Herstellungstoleranz, Geradheit
• thermische Verformung
• statische Last
• dynamische Last
• Rundheit der Lager / Kugeln
• Verschleiß, Dellen, Kratzer
TEM Messtechnik GmbH
 mit BeamRail
52
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
„verbogene mechanische Rail“ UND BeamRail
PSD
4D
Mechanische Rail  liefert Kraft
Optische Rail  liefert Präzision
Deformationen:
• Herstellungstoleranz, Geradheit
• thermische Verformung
• statische Last
• dynamische Last
• Rundheit der Lager / Kugeln
• Verschleiß, Dellen, Kratzer
TEM Messtechnik GmbH
 Korrekturen
Messtechnik
Koordinatensystemtransformation, Korrektur der 4D-SetValues


 

d1p
d13
x1
y1
d12

x3
y3
yp xp
xa
ya
x1
y2
PSD 4D
x1  x2
d12
y  y2
d12
y  y1
 3
 y 
d13
( x3  x1 )  y0

x1  x2
xP 
   d1P
2
y y
y P  1 2    d1P
2
y
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
53
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Regelkreise
physical
measurand
* position
* angle
* temperature
* intensity
* wavelength
* rep rate
* M²
* ...
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Regelkreise
physical
measurand
* position
* temperature
* intensity
* wavelength
* rep rate
* M²
* ...
sensor
* PSD, QUAD
* NTC
* photo diode
* interferometer
* antenna
* Shack Hartmann
* ....
TEM Messtechnik GmbH
54
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Regelkreise
physical
measurand
* position
* temperature
* intensity
* wavelength
* rep rate
* M²
* ...
regulator
 PID
amp
sensor
setpoint
* PSD, QUAD
* NTC
* photo diode
* interferometer
* antenna
* Shack Hartmann
* ....
* analogue servo
* µC
* FPGA, DSP
* PC
* ....
TEM Messtechnik GmbH
Messtechnik
Regelkreise
physical
measurand
sensor
regulator
 PID
amp
driver
actor
setpoint
* position
* temperature
* intensity
* wavelength
* rep rate
* M²
* ...
* PSD, QUAD
* NTC
* photo diode
* interferometer
* antenna
* Shack Hartmann
* ....
* analogue servo
* µC
* FPGA, DSP
* PC
* ....
* HV driver
* current driver
* motor controller
* ....
* piezo actor
* Peltier TEC
* stepper
* DC motor
* linear actor
* delay line
* ....
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
55
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
Regelkreise
physical
measurand
sensor
amp
regulator
 PID
driver
actor
regulator
 PID
driver
actor
regulator
 PID
driver
actor
setpoint
physical
measurand
sensor
amp
setpoint
physical
measurand
sensor
setpoint
crosslink
* position
* temperature
* intensity
* wavelength
* rep rate
* M²
* ...
Messtechnik
amp
* PSD, QUAD
* NTC
* photo diode
* interferometer
* antenna
* Shack Hartmann
* ....
* analogue servo
* µC
* FPGA, DSP
* PC
* ....
* HV driver
* current driver
* motor controller
* ....
* piezo actor
* Peltier TEC
* stepper
* DC motor
* linear actor
* delay line
* ....
TEM Messtechnik GmbH
4D-Pointing
TEM Messtechnik GmbH
56
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
4D Pointing
By
Bx
Ay
Ax
4 degrees
of freedom
TEM Messtechnik GmbH
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
4D Pointing
By
Bx
Ay
Ax
4 degrees
of freedom
4 measurands
Angle X
Angle Y
Position X
Position Y
angle and position
4D sensor(s)
Bx, By
Ax, Ay
two 2D sensors
X1
Y1
X2
Y2
X1, Y1
X2, Y2
two points
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
57
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
ADCs
raw data
4D Pointing
4 measurands
Angle X
Angle Y
Position X
Position Y
By
Bx
4D sensor(s)
Ay
Ax
Bx, By
Ax, Ay
intensity
polarization
divergence
time behavior
temperature
...
Ax
Ay
Bx
By
intens A
intens B
temperat.
rep rate
...
TEM Messtechnik GmbH
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
4D Pointing
By
Bx
Ay
Ax
ADCs
raw data
Ax
Ay
Bx
By
intens A
intens B
temperat.
rep rate
...
4 measurands
4D sensor(s)
Angle X
Angle Y
Position X
Position Y
Bx, By
Ax, Ay
pre
processing
Normalization
Ax
x/I
intens
S&H
Ax’
input cross-link
ICL matrix
Ax’
Ay’
Bx’
By’
Ax” Bx”
Ay” By”
TEM Messtechnik GmbH
58
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
4D Pointing
4 measurands
Bx
4D sensor(s)
Angle X
Angle Y
Position X
Position Y
By
Ay
Ax
ADCs
raw data
pre
processing
Ax
Ay
Bx
By
intens A
intens B
temperat.
rep rate
...
Normalization
Ax x/I
intens
Bx, By
Ax, Ay
regulators
servos
input cross-link
ICL matrix
Ax’
Ay’
Bx’
By’
Ax’
Ax” Bx”
Ay” By”
S&H
Ax”
setp
Ax
regulator Ax
 PID
Ay”
setp Ay

PID
Bx”
setp Bx

PID
By”
setp By

PID
output cross-link
OCL matrix
Rax
Ray
Rbx
Rby
O1x O2x
O1y O2y
TEM Messtechnik GmbH
Regelkreise mit gekoppelten Messgrößen
Messtechnik
4D Pointing
By
Bx
Ay
Ax
4 measurands
4D sensor(s)
Angle X
Angle Y
Position X
Position Y
ADCs
raw data
pre
processing
Ax
Ay
Bx
By
intens A
intens B
temperat.
rep rate
...
Normalization
Ax x/I
intens
S&H
Ax’
Bx, By
Ax, Ay
regulators
servos
input cross-link
ICL matrix
Ax’
Ay’
Bx’
By’
Ax”
setp
Ax
Ax” Bx”
Ay” By”
ICL
regulator Ax
 PID
Ay”
setp Ay

PID
Bx”
setp Bx

PID
By”
setp By

PID
Servos
output cross-link
OCL matrix
driver
section
actors
HV
amps
Rax
Ray
Rbx
Rby
O1x O2x
O1y O2y
motor
contr.
OCL
piezos
& linear
actors
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
59
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Wie „lerne“ ich die Koeffizienten der OCL-Matrix?
Messtechnik
regulator values
vector
output cross link
matrix
R
C
Regulator Ax
RAx
Regulator Ay
RAy
Regulator Bx
RBx
Regulator By
RBy
RegOffsAx
RegOffsAy
RegOffsBx
RegOffsBy
O = C R
I = S O
I = S C R
CAx1x CAx1y CAx2x CAx2y
CAy1x CAy1y CAy2x CAy2y
CBx1x CBx1y CBx2x CBx2y
CBy1x CBy1y CBy2x CBy2y
I = R
Forderung:
O2y
O2x
O1y
O1x
output values
vector

O
-1 T
C =  (S )
I* = J I
output drivers
actor 1
input cross link
matrix
actor 2
I
system
matrix
S
S1xAy S1yAy S2xAy S2yAy
PSD A
PSD B
JAxAx
IAy
IBx
S1xBx S1yBx S2xBx S2yBx
S1xBy S1yBy S2xBy S2yBy
J
IAx
S1xAx S1yAy S2xAx S2yAx
JAyAy
JBxAx
IBy
JAyAy
JBxBx
JByAy
JByBy
IBy*
IBx*
IAy*
IAx*
PD amps
JAxBx
corrected
input values
vector
I*
TEM Messtechnik GmbH
Aligna®: Alignment- and Stabilization System
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
60
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Messtechnik
TEM Messtechnik GmbH
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
61
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
62
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
4 Piezokeramische Dickschichttechnik für optische
Anwendungen - Deformierbare Spiegel und
hochintegrierbare Stellelemente
Bernhard Bramlage
IKTS - Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme
Winterbergstraße 28
D-01277 Dresden
Tel.: +49 351 2553-7700
Email: [email protected]
Internet: http://www.ikts.fraunhofer.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
63
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
PIEZOKERAMISCHE DICKSCHICHTTECHNIK
FÜR OPTISCHE ANWENDUNGEN
Deformierbare Spiegel und hochintegrierbare Stellelemente
B. Bramlage, D. Ernst, S. Gebhardt
O. Pabst, C. Reinlein
Hannover, 26.11.2013
© Fraunhofer
Motivation

Piezoaktorische Elemente sind hochinteressant für die
Integration in optische Systeme

Der Aufwand für die Integration kann sehr hoch
werden, insbesondere bei komplexen aktorischen
Strukturen oder großen Stückzahlen

Gesucht ist eine Technologie, die diese Hürde
überwindet und eine effektive und effiziente Fertigung
ermöglicht
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
64
Seite 2
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
INHALT
Einführung

Technologie: Piezokeramische Dickschichttechnik
Anw endungen



Deformierbare Spiegel

Wellenfrontkorrektur

Laserstrahlformung
Hochintegrierbare Stellelemente

Biegeaktoren

Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop

Plattform für ebenen Hub
Zusammenfassung
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Piezokeramik
Ansteuermechanismen

Nutzung von zwei Ansteuermechanismen

d31: Kontraktion in der Ebene

d33: Streckung in der Ebene
Stauchung und Streckung in einem PZT Element
Nutzung des d31- und des d33-Effektes
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 4
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
65
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Piezokeramische Dickschichttechnik
Technologie
Herstellungsprozess
Grundelektrode
PZTDickschicht
Isolationsschichten
Deckelektrode
Laserschneiden
Sinterung

Substratmaterialien

LTCC (Low Temperature
Cofired Ceramics)

Al2O3

Silizium

ZrO2
Elektrode: 15 µm
PZT 30-150 µm
Substrat
Aufbau: Piezokeramische Dickschicht
Bernhard Bramlage
Seite 5
© Fraunhofer
Piezokeramische Dickschichttechnik
Anwendungen
 Deformierbare Spiegel
 Hochintegrierbare Stellelemente
 Kraftsensoren
 Ultraschallwandler
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
66
Seite 6
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Deformierbare Spiegel
Adaptiver Teleskopspiegel
 Adaptive Optik ermöglicht die
Kompensation atmosphärischer
Störungen in modernen
Teleskopen
Quelle: R.K. Tyson, Introduction to Adaptive Optics, 2000
Quelle: Claire Max, UCSC
Bernhard Bramlage
Seite 7
© Fraunhofer
Deformierbare Spiegel
Adaptiver Teleskopspiegel

Modular aufgebauter adaptiver Spiegel

Kooperation mit der Freien Universität Brüssel
G. Rodrigues, R. Bastaits, S. Roose, Y. Stockman, S. Gebhardt, A. Schönecker,
P. Villon, A. Preumont, „Modular bimorph mirrors for adaptive optics“, Opt.
Engineering, 48(3), 34001, 2009.
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 8
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
67
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Deformierbare Spiegel
Adaptiver Teleskopspiegel

Aufbau piezokeramischer Aktorstrukur
auf Silizium Wafer

Spezielle Grundelektrode dient
gleichzeitig als Barriereschicht um
Bleisilikatbildung zu vermeiden
Herstellung des adaptiven Spiegels mit siebgedruckter, piezokeramischer “honeycomb”-Struktur
Bernhard Bramlage
Seite 9
© Fraunhofer
Deformierbare Spiegel
Adaptiver Teleskopspiegel
Silizium-Spiegel
Piezokeramische Dickschichtaktoren
Wellenfrontmessung
Korrektur typischer Abbildungsfehler
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
68
Seite 10
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Deformierbare Spiegel
Adaptiver Teleskopspiegel
G. Rodrigues, A. Preumont, S. Gebhardt „Segmented
Deformable Bimorph Mirrors for Adaptive Optics“,
Proc. 12th Int. Conf. On New Actuators, ACTUATOR,
624ff, 2010.
Spiegelsegment
Spiegelanordnung
Haltestruktur
Montierte adaptive Spiegel
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 11
Deformierbare Spiegel

Adaptiver Spiegel für
Materialbearbeitungslaser

Zusammenarbeit mit Fraunhofer
Institut für Angewandte Optik
und Feinmechanik (IOF)
© C. Reinlein, Fraunhofer IOF
Laserspiegel
Anwendung in Lasermaterialbearbeitung
Au Elektrode
PZT Dickschicht
LTCC Substrat
Cu Metallisierung
LTCC Membran:
Durchmesser:
PZT Schichtdicke:
Kupferschicht:
220 µm
34,7 mm
100 µm
150 µm
Piezo-Dickschicht auf LTCC Substrat, Rückseite mit Kupfer beschichtet
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 12
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
69
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Deformierbare Spiegel
Laserspiegel

Resonanzfrequenz: fr = 1450 Hz

Hohe Arbeitsfrequenz und
Auslenkungsvermögen
Vibrometermessung (100 Hz / 75V)
-80
1000000
50
Electrical Impedance |Z| [Ohm]
-81
13_actuators
-82
40
-85
-86
10000
theta [°]
-84
Deflection [µm]
-83
100000
-87
30
20
10
-88
-89
1000
0
-90
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
10
Frequency f [kHz]
0.5
1
1.5
2
Electrical Field [kV/mm]
Auslenkungsvermögen (statisch)
Resonanzeigenschaften
Bernhard Bramlage
Seite 13
© Fraunhofer
Deformierbare Spiegel
Laserspiegel

Weiterentwicklung

Integration von Temperatursensoren
und Heizelementen in LTCC
Mehrlagenbauelement (TU Ilmenau)

„Thermally-piezoelectric deformable
mirror (TPDM)“

5 Heizelemente, 41 Piezoelemente
Elektrodenstruktur des TPDM
Spiegel
LTCC
Piezokeramik
Heizer
Temp. Sensoren
LTCC - Multilayer
Innere Struktur des TPDM
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
70
Seite 14
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Deformierbare Spiegel
Laserspiegel


Eigenschaften:

Maximaler Defokus ~15 µm

Ausgleich des thermischen Einflusses
bis 6,2 kW (cw) im Experiment
Quellen:
[1] C. Reinlein, M. Appelfelder, M. Goy, K. Ludewigt, A. Tünnermann, "Performance of a thermally-piezoelectric
deformable mirror under 6.2 kW continuous wave operation" Accepted in Applied Optics 52 (2013) 34
[2] C. Reinlein, M. Appelfelder, S. Gebhardt, E. Beckert, R. Eberhardt, A. Tünnermann "Thermo-mechanical design,
hybrid fabrication and testing of a MOEMS deformable mirror", J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS. 12(1), 013016, 2013.
Thermal-piezoelectric-Deformable Mirror (TPDM)
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 15
Hochintegrierbare Stellelemente
Biegeaktoren in Piezokeramischer Dickschichttechnik

PZT Dickschichtaktoren als Biegeelemente

Sinterprozess erzeugt eine robuste
Verbindung des Piezomaterials mit dem
Substrat

Frei von Lösungsmitteln und Klebstoffen

Keramische Verdrahtungsträger erlauben
Integration von Standard SMD Bauelementen
in Hybridtechnik direkt auf dem Aktorelement
Biegeaktoren auf LTCC (11–23 mm Länge)
Auslenkung und Blockierkraft von 4 mm breiten Biegeaktoren; PZT Schichtdicke: ca. 100 µm, 2 kV/mm
Bernhard Bramlage
© Fraunhofer
Seite 16
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
71
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
Miniaturisiertes Mikroskop
mit Mikrolinsenarrays
Mikrolinsenarrays
Fraunhofer IOF
CMOS-Sensor
Integration von Aktorik
zur Fokussierung
Fraunhofer IOF
Bernhard Bramlage
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
 Bauhöhe ca. 500 µm mit 10-100 µm Hub
 Multilayer-Piezoaktoren haben nur eine
Dehnung von ca. 2 ‰
 Wegübersetzung notwendig
 Piezokeramische Dickschichtaktoren als
Biegewandler
Quelle: PI Ceramic
Multilayer-Piezoaktoren
Hub
Piezokeramik
Wirkprinzip
Aktorrahmen
Aktorstapel mit Mikrolinsen
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
Side view
Montage durchgeführt am Fraunhofer IOF
 Brückenstruktur mit zentral montiertem
Mikrolinsen-Array
 Montage mittels Solder-Jet-Bumping oder
leitfähigem Klebstoff
Auslenkung
PZT - Dickschicht
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Hochintegrierbare Stellelemente
Auslenkung / µm
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
Spannung / V
 Auslenkung von 115 µm bei Emax = 2 kV/mm
und eine Blockierkraft FB = 110 mN
Messpunkt 2
 Nahezu lineares Verhalten gegenüber
elektrischen Feldern (< Emax) und
quasistatischen Kräften (< FB)
Messpunkt 1
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angestrebte Bewegung
 Ziel: 5 Stufen von 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
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Seite 21
Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angelegte Spannung
angestrebte Bewegung
 Ziel: 5 Stufen von 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angestrebte Bewegung
angelegte Spannung
 Ziel: 5 Stufen von 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
 Stark resonantes Verhalten bei Stufen-Ansteuerung
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angelegte Spannung
angepasst
angestrebte Bewegung
angelegte Spannung
 Ziel: 5 Stufen von 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
 Stark resonantes Verhalten bei Stufen-Ansteuerung
 Angepasste Ansteuerung:
 Exponentieller Anstieg
 Über-/Untersteuerung zur Driftkompensation
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angestrebte Bewegung
angelegte Spannung
angepasst
 Goal: 5 steps of 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
 Highly resonant behaviour for step-excitation
 Angepasste Ansteuerung:
 Exponentieller Anstieg
 Über-/Untersteuerung zur Driftkompensation
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Hochintegrierbare Stellelemente
Aktorrahmen für ein flachbauendes Mikroskop
angestrebte Bewegung
angelegte Spannung
 Goal: 5 steps of 20 µm, tRise = 20 ms, tHold = 200 ms
 Highly resonant behaviour for step-excitation
 Angepasste Ansteuerung:
 Exponentieller Anstieg
 Über-/Untersteuerung zur Driftkompensation
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Hochintegrierbare Stellelemente
Plattform für ebenen Hub
 Horizontale Ankopplungspunkte
 Zwei Betriebsspannungen notwendig
(ca. 170 V und 1000 V)
Kopplung von Ansteuermechanismen
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Hochintegrierbare Stellelemente
Plattform für ebenen Hub
d31
d33
FE-Simulation einer Hub-Plattform (59 mm x 59 mm)
 Strukturen auf der Unterseite
1,66 kV/mm
 Kombination von d31- und d33-Effekt
 Zentrale Last wird frei von Verspannungen angehoben und bleibt
horizontal
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Hochintegrierbare Stellelemente
Plattform für ebenen Hub
Interdigitalelektroden (d33-Effekt)
Flächenelektroden (d31-Effekt)
Stapelbar, 3 Ebenen
unabhängig steuerbar
Plattform für ebenen Hub durch Kopplung
von Ansteuermechanismen
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Plattform
© Fraunhoferfür ebenen Hub durch Kopplung von
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Ansteuermechanismen
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Entwurf einer Hub-Plattform
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Detailansicht: Interdigitalelektroden, Via, Laserbearbeitung
Hochintegrierbare Stellelemente
Plattform für ebenen Hub
3D-Scan, bei 1,66 kV/mm Ansteuerung
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Piezokeramische Dickschichttechnik
Technologie
Material
Bauteil
Feld
Simulation
Temperatur
Druck
Herstellung
Analytik
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Piezokeramische Dickschichttechnik
Technologie
Material
Bauteil
Feld
Polungs- und Dehnungsverhalten piezokeramischer
Temperatur
Werkstoffe

Dehnungsverhalten
piezokeramischer
Aktorstrukturen

Materialsynthese


Pastenentwicklung
Piezokeramische
Schichtaktoren

Ultraschallwandler

Kraftsensoren

Simulation
Druck
Herstellung
Analytik

Kleinsignaleigenschaften

Kraft-Dehnungs-Messung

Temperatur- und
Druckeinflüsse

Vibrometrie

Betriebsverhalten
Ferroelektrische Hysterese

Umwelteinflüsse

Bernhard Bramlage
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Zusammenfassung

Piezokeramische Dickschichten bringen Bewegung in die Optik

Der gesinterte Schichtaufbau ist robust, und frei von Kleibstoffen und
Lösungsmitteln

Keramischen Verdrahtungsträger ermöglichen die Integration von Standard
SMD Bauelementen

Die Siebdrucktechnologie erlaubt eine effiziente Herstellung von
Aktorelementen im Nutzen

Sowohl adaptive Spiegel als auch Stellelemente zur Mikropositionierung
wurden gezeigt
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Projektpartner und Unterstützung
SPP 1337 „Aktive Mikro-Optik“
Mehr zum Projekt „Aktive Mikro-Optik“
auf www.dfg-science-tv.de
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Ansprechpartner
B. Bramlage, S. Gebhardt
[email protected]
[email protected]
C. Reinlein
[email protected]
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5 Tunable MEMS axicon mirror arrays
Jens Brunne, Prof. Ulrike Wallrabe
Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK
Georges-Köhler-Allee 102
D-79110 Freiburg
Tel.: +49 761 203-7579
Email: [email protected]
Internet: http://www.imtek.de
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6 Intelligente Lichtfunktionen zur Unterstützung der
Fahrzeugquerführung
Dipl.-Ing. Joscha Roth, Dipl.-Ing. Sebastian Thomschke
Institut für Dynamik und Schwingungen
Appelstraße 11
D-30167 Hannover
Tel.: +49 511 762 - 4161
Internet: http://www.ids.uni-hannover.de
Volkswagen AG
Berliner Ring 2
D-38440 Wolfsburg
Email: [email protected]
Email: [email protected]
Internet: http://www.volkswagenag.de
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Kurzfassung
Fahrten bei Nacht weisen aufgrund des eingeschränkten Wahrnehmungsbereiches und einer geringeren Informationsaufnahme des Fahrzeugführers ein
hohes Unfallpotential auf. Mit lichtbasierten Assistenzfunktionen versuchen
Fahrzeughersteller und Zulieferer den Fahrer bei Fahrten in der Dunkelheit zu
unterstützen, um eine Sicherheits- und Komforterhöhung zu bewirken. Neben
Systemen zur optimierten und adaptiven Ausleuchtung der Szenerie versuchen Lichtfunktionen wie das Markierungslicht die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers gezielt in eine bestimmte Richtung zu lenken. Die vorliegende
Veröffentlichung stellt zwei neuartige Konzepte zur optischen Unterstützung
der Fahrzeugquerführung vor. Mittels eines Forschungsscheinwerfers lassen
sich im Vorfeld zwei Lichtbarrieren darstellen. Diese dienen einer besseren
Einschätzung von Fahrzeugbreite und Position in der Fahrspur und können
den Fahrer insbesondere in Baustellenbereichen und Engstellen unterstützen.
Keywords
Lichtbasierte Fahrerassistenz, Lichtfunktion, Baustellenassistent
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Einleitung
Nach (Diem, 2005) werden beim Führen eines Fahrzeuges etwa 90% der
Informationen, wie z.B. Entfernungen, andere Verkehrsteilnehmer oder Verkehrszeichen, über das visuelle System aufgenommen. Aufgrund geringerer
Beleuchtungsstärken bzw. Leuchtdichten und Kontraste wird bei Fahrten in
der Dunkelheit die Wahrnehmung erschwert und der Wahrnehmungsbereich
im Rahmen des erzeugten Lichtkegels auf einen kleinen Bereich des gesamten Sichtfeldes beschränkt (Schneider, 2011). Folglich wird in der Nacht auch
die Informationsaufnahme des Fahrers erschwert. Des Weiteren zeigt (Lerner,
Albrecht, & Evers, 2005), dass sich 2002 ca. 28% aller Unfälle mit Personenschäden in der Nacht ereignet haben und sogar 42% dieser Unfälle tödlich
verliefen. Der prozentuale Anteil der Getöteten ist somit nachts deutlich höher
als tagsüber. Ein hoher Anteil der Unfälle mit Personenschaden resultiert aus
dem Abkommen von der Fahrbahn insbesondere auf Straßen außerhalb geschlossener Ortschaften (Destatis, 2007). Des Weiteren ist die Unsicherheit
von Fahrzeugführern in Engstellen, wie z.B. Baustellenabschnitten bekannt
(Schlag, 1995). Deshalb arbeiten Fahrzeughersteller und -zulieferer daran,
mittels aktiver lichttechnischer Systeme den Fahrer bei seiner Fahraufgabe
zu unterstützen und somit einen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit und des
Komforts bei Nachtfahrten zu leisten. Diese Veröffentlichung gibt einen kurzen Einblick in bisherige aktive lichttechnische Systeme sowie Funktionen und
stellt zwei neuartige Konzepte aktiver Lichtfunktionen vor, die den Fahrer insbesondere bei der Fahrzeugquerführung unterstützen sollen. Die Lichtfunktionen sind weiterhin in einem Versuchsträger mit prototypischen Forschungsscheinwerfern umgesetzt worden. Die Ergebnisse erster Versuchsfahrten werden abschließend dargestellt.
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Stand der Technik
Aktuelle lichtbasierte Assistenzsysteme sind bspw. das statische und dynamische Kurvenlicht, die der besseren Ausleuchtung von Kurvenbereichen dienen. Das statische Kurvenlicht leuchtet bei Abbiegevorgängen die Bereiche
neben dem Fahrzeug besser aus, so dass z.B. Fußgänger an Kreuzungen
besser erkannt werden können. Beim dynamischen Kurvenlicht wird der erzeugte Lichtkegel z.B. abhängig vom Lenkradwinkel oder prädiktiv über GPS
Informationen in eine Kurve geschwenkt, so dass diese für den Fahrzeugführer besser einsehbar ist. Eine weitere Lichtfunktion ist der Fernlichtassistent,
der bei Detektion anderer Verkehrsteilnehmer automatisch von Fernlicht auf
Abblendlicht umschaltet. Die Umsetzung neuer aktiver Lichtfunktionen bedingt
Scheinwerfer mit hoher Variabilität sowie Sensorsysteme zur Erfassung der
Umwelt. Stand der Technik sind beispielsweise Xenon- Projektionsscheinwerfer mit einer rotierenden, zylinderförmigen Blende. Aufgrund der auf den Umfang der Blende aufgeprägten Konturen, lassen sich durch Rotation angepasste AFS-Lichtverteilungen (Adaptive Front Lighting System), z.B. für Fahrten in
der Stadt, auf Landstraßen und Autobahnen realisieren. In Verbindung mit
einer Schwenk- und Neigungsbewegung des Xenon-Moduls lässt sich ferner
ein maskiertes Dauerfernlicht realisieren. Hierbei detektiert eine im Innenspiegelfuß verbaute Kamera die Lichtquellen von Scheinwerfern und Rückleuchten anderer Verkehrsteilnehmer und kann mittels Bildverarbeitung auf dessen Positionen zurückschließen. Außerhalb geschlossener Ortschaften wird
dann im Fernlichtbetrieb entgegenkommender bzw. vorausfahrender Verkehr
mittels einer Scherenbewegung der Lichtkegel aus der Lichtverteilung ausgeblendet. Diese Funktionalität hebt den grundlegenden Zielkonflikt zwischen
Ausleuchtung und Blendung auf ein höheres Level, da bei erhöhter Ausleuchtung die Blendung gering gehalten wird. Ein Nachteil des beschriebenen Dauerfernlichtes ist, dass nur ein Winkelbereich ausgeblendet werden kann. Das
hat zur Folge, dass sich mit Zunahme des Verkehrsaufkommens der ausgeblendete bzw. abgedunkelte Bereich in der Fernlichtverteilung vergrößert und
der Vorteil zum Abblendlicht geringer wird. LED- Matrix Beam Scheinwerfer
bestehen aus einer Matrix von mehreren LED-Linsen bzw. Reflektor Kombination und erzeugen eine Schachbrettmuster ähnliche Lichtverteilung auf der
Fahrbahn. Durch gezielte Ansteuerung einzelner LEDs lassen sich somit bestimmte Bereiche in der Lichtverteilung zu- oder abschalten. Die Anzahl der
LED-Linsen bzw. Reflektor Einheiten bestimmt dabei die Auflösung der Lichtverteilung. Bei angemessen hoher Auflösung lässt sich ein maskiertes Dauer-
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fernlicht umsetzen, das andere Verkehrsteilnehmer differenzierter ausblenden
kann, als das oben beschriebene Modul. Ein weiterer Vorteil ist der Entfall von
mechanischen Bauteilen, die dem Verschleiß unterliegen. LEDs sind weiterhin effizienter, bieten eine höhere Leuchtdichte und Lebensdauer als Halogen
bzw. Xenon Lichtquellen. Die Umsetzbarkeit lichtbasierter Assistenzfunktionen nimmt entsprechend mit der realisierbaren Auflösung des Scheinwerfers
zu. Heutige LED Matrix Beam Scheinwerfer verfügen etwa über 25 LEDs pro
Scheinwerfer. Die bisher beschriebenen Lichtfunktionen dienen der besseren
Ausleuchtung der Fahrbahn und erhöhen somit den Wahrnehmungsbereich
des Fahrers. Eine Lichtfunktion, die hingegen gezielt versucht die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers zu steuern ist das Markierungslicht, das bspw.
in (Schneider, 2011) untersucht wird. Dazu detektiert eine Nachtsichtkamera Fußgänger außerhalb des Wahrnehmungsbereiches des Fahrers. Wird ein
Fußgänger durch interne Beurteilungsalgorithmen als potentielles Kollisionsobjekt eingestuft, wird ein Lichtspot in Richtung des Fußgängers gerichtet,
das die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers in dessen Richtung lenken soll.
Dadurch soll dem Fahrer ein größeres Reaktionszeitfenster geschaffen und
ein möglicher Unfall vermieden bzw. die Unfallschwere reduziert werden. Des
Weiteren verfügen heutige Fahrzeuge über vielseitige Sensoren wie Frontund Heckradar, Kamerasysteme und Ultraschall. In Hinblick auf pilotiertes
Fahren ist der Einzug weiterer Sensoren wahrscheinlich, so dass sich neue
Möglichkeiten für die Umsetzung aktiver Lichtfunktionen ergeben.
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Forschungsscheinwerfer, Funktionskonzepte und Umsetzung
Zur Umsetzung neuartiger Lichtfunktionen steht ein Forschungsscheinwerfer
mit verschiedenen Funktions-modulen vgl. Abb. 6.1 zur Verfügung. Als Lichtquellen der einzelnen Funktionsmodule dienen mit Ausnahme des Blinkermoduls ausschließlich LEDs. Neben den statischen Beleuchtungseinheiten wie
Abblendlicht, Abbiegelicht und Zusatzfernlicht ist im Forschungsscheinwerfer
ein schwenk- und neigbares Modul integriert, das in Abb. 6.1 umkreist und
in Abb. 6.2 vergrößert dargestellt ist. Im Rahmen dieser Veröffentlichung soll
insbesondere auf das Funktionsmodul „Lichtbarrieren“ eingegangen werden,
das sich auf dem beweglichen Trägersystem befindet.
Abbildung 6.1: Forschungsscheinwerfer mit diversen Funktionsmodulen
Der Aufbau dieses Moduls besteht aus einem monolithischen LED Chip, einer Schlitzblende und einer Projektionslinse. Die Weißlicht-LED erzeugt einen
Lichtstrom von bis zu 1800 lm. Unmittelbar über dieser ist eine Blende mit
einer Öffnung angebracht, durch die ein Teil des Gesamtlichtstromes fällt.
Schließlich wird die durch die Schlitzblende erzeugte Geometrie mittels einer
davor angebrachten Projektionslinse auf die Fahrbahn projiziert.
Mit dem beschriebenen Modul lassen sich somit zwei Lichtbalken bzw. Lichtbarrieren im Vorfeld des Fahrers projizieren. Ein Leuchtdichtebild dieser ist in
Abb. 6.3 aus Sicht des Fahrers dargestellt.
Die Helligkeit der Lichtbarrieren ist variabel bis zu einem Maximalwert einstellbar, so dass in einer Entfernung von 10 m vor dem Fahrzeug ca. 80 lx
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Abbildung 6.2: Detailansicht des schwenk- und neigbaren Funktionsmoduls
Abbildung 6.3: Leuchtdichtebild des Abblendlichtes und der Lichtbarrieren aus der Fahrerperspektive
auf der Fahrbahnoberfläche realisierbar sind. Die Position der Lichtbarrieren
kann über die zwei Bewegungsfreiheitsgrade des Trägersystems beeinflusst
werden. Bei einer mittleren Position beginnen die Lichtbarrieren etwa 8 m vor
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dem Fahrzeug, haben eine Länge von 7 m und eine Breite von 0,3 m. In Abb.
6.4 ist die vereinfachte Systemarchitektur des Versuchsträgers dargestellt.
Abbildung 6.4: Vereinfachte Systemarchitektur
Diese gliedert sich grundsätzlich in die drei Kategorien eines mechatronischen Systems: Sensorik, Informationsverarbeitung und Aktorik. Die Sensorik umfasst einerseits Sensoren zur Umfelderkennung wie Radar, Kamera,
und Ultraschall und andererseits fahrzeugbezogene Sensoren zur Detektion
von z.B. Fahrzeugeigengeschwindigkeit, Lenkradwinkel und Schalterstellungen. Die relevanten Informationen aus den Sensorsystemen werden mittels
eines PCs erfasst. Innerhalb eines Funktionsalgorithmus wird basierend auf
den Sensordaten die Situation analysiert und bewertet. Anschließend können
die Ansteuerungswerte für die LEDs und Schwenk- bzw. Neigungswinkel an
die entsprechenden Hardwareschnittstellen übergeben werden. Hierbei bildet
die MikroAutoBox2 die Schnittstelle zur Ansteuerung der Schwenk- und Neigungswinkel und ein Forschungsscheinwerfersteuergerät die zu den LED Modulen. Die Stellsignale für Schwenk- und Neigungswinkel werden über eine
definierte Schnittstelle auf der MikroAutoBox2 an das jeweilige Leistungsmodul übergeben und der entsprechende Schrittmotor angesteuert. Die PWM
Werte der LEDs des Scheinwerfers lassen sich über ein zusätzliches Forschungsscheinwerfersteuergerät ansteuern. Mit Ausnahme der Ethernet Verbindung zwischen PC und MikroAutoBox2 findet die Kommunikation zwischen
den Systemkomponenten ausschließlich über CAN Busse statt.
Im Folgenden werden zwei Funktionskonzepte erläutert, die basierend auf
der beschriebenen Hardware im Versuchsträger implementiert worden sind.
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Optische Spurhalteassistenz und Spurverlassenswarnung
Zur optischen Unterstützung bei der Spurführung werden die oben beschriebenen Lichtbarrieren als Indikatoren für die Position des eigenen Fahrzeuges
in der Spur genutzt. Grundsätzlich wird hierbei dem Fahrer die Abweichung
des Fahrzeuges von einem gewünschten Fahrschlauch dynamisch über die
Helligkeit der Lichtbarrieren angezeigt. Hierbei lassen sich zwei Regelungsarten unterscheiden. Die erste Regelungsart soll anhand von Abb. 6.5 verdeutlicht werden. An den äußeren Fahrbahnmarkierungen befinden sich Gefahrenbereiche (dy( G, li) bzw. dy( G, re)), die die eigentliche Fahrspurbreite
(BF SP ) auf eine bestimmte Fahrschlauchbreite (BF s) reduzieren. Innerhalb
des Fahrschlauches kann sich das Fahrzeug ohne Regeleingriff der Funktion
bewegen. Bewegt sich das Fahrzeug mit den Spiegelaußenkanten in einen
der Gefahrenbereiche (z.B. dy( F zg, li) < dy( G, li)), erhöht sich mit kleiner
werdendem Abstand zur Fahrbahnmarkierung die Helligkeit der Lichtbarriere
auf der entsprechenden Seite. Befindet sich die Spiegelaußenkante auf einer
Fahrbahnmarkierung wird der maximale Helligkeitswert angesteuert und dem
Fahrer visualisiert, dass er sich am Rande der eigenen Fahrspur bewegt.
Abbildung 6.5: PWM Regelung über Gefahrenbereiche
Der rot gestrichelte Graph in Abb. 6.6 zeigt die qualitative PWM Ansteuerung
in Abhängigkeit der Abweichung zur Fahrspurmitte für die Regelung mittels
Gefahrenbereichen. Hierbei erfolgt die PWM Zunahme von einem Grundwert
aus. Die Lichtbarrieren werden dem Fahrer somit bei Erkennen einer Fahrspur
kontinuierlich angezeigt. Dies soll dem Fahrzeugführer die Einschätzung über
die Position in der Fahrspur erleichtern. Für eine lineare Helligkeitszunahme ist
nach dem Weber-Fechner‘schen Gesetz auf eine logarithmische Ansteuerung
der PWM Werte zu achten.
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Abbildung 6.6: PWM Ansteuerung abhängig von der Abweichung zur Fahrspurmitte für die Regelung
über Gefahrenbereiche (rot gestrichelt) bzw. Mittenführung (grün)
Eine weitere Möglichkeit ist die PWM Ansteuerung basierend auf einer Mittenspurführung vgl. Abb. 6.7. Hierbei wird um die Mittelline einer Fahrspur ein
Fahrschlauch erzeugt. Bei einer Abweichung der Fahrzeugmittelachse von der
Fahrspurmitte beginnt unverzüglich die PWM Ansteuerung auf der entsprechenden Seite.
Diese Ansteuerungscharakteristik ist durch den grünen Graphen in Abb.
6.6 qualitativ dargestellt. Bei einem Vergleich der beiden Graphen in Abb. 6.6
wird ersichtlich, dass eine PWM-Ansteuerung mittels Mittenspurführung den
Vorteil eines unverzögerten Feedbacks durch die Funktion bei Abweichungen
zur Fahrspurmitte hat. Dem Fahrer wird somit eine Kursabweichung von der
Mittellinie schneller angezeigt als bei der Ansteuerung über äußere Gefahren-
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Abbildung 6.7: PWM-Regelung über Mittenspurführung
bereiche. Somit ergibt sich ein größeres relatives Reaktionszeitfenster für den
Fahrer, um das Fahrzeug wieder in eine ideale Position zu bringen. Nachteilig an dieser Regelungsart könnte sein, dass der ständige Regelbetrieb der
Funktion den Fahrzeugführer stören könnte. Eine Regelung über Gefahrenbereiche hat einerseits den Vorteil, dass sich das Fahrzeug innerhalb des Fahrschlauchs ohne Funktionsregelung bewegen kann. Andererseits erfolgt eine
Funktionsregelung erst bei Einfahren in einen Gefahrenbereich, so dass eine
Reaktion auf die Funktion zu spät erfolgen könnte.
Zusätzlich zur Unterstützung bei der Spurhaltung soll der Fahrer bei unbeabsichtigtem, drohendem Verlassen der eigenen Fahrspur durch Blinken der
Lichtbarriere auf der entsprechenden Seite gewarnt werden. Beabsichtigt der
Fahrer einen Spurwechsel durch Setzen des Fahrtrichtungsanzeigers, so wird
die Funktion deaktiviert und steht dem Fahrzeugführer in einer neuen Fahrspur wieder zur Verfügung. Für eine Spurverlassenswarnung ist deshalb die
Zeit relevant, die einem Fahrzeug bei Halten des aktuellen Fahrzustandes bis
zum Verlassen der eigenen Spur verbleiben. Diese Zeit TLC (Time to Line
Crossing) lässt sich unter der Annahme kleiner Lenkwinkel berechnen:
T LC =
2 · |dy li bzw. re | − BFzg
2 · vFzg · tan(∆ψ)
Hierbei ist dy der Abstand zwischen Fahrspurmarkierung und Fahrzeugmittelachse, BFzg die Fahrzeugbreite, vFzg die Fahrzeuggeschwindigkeit und ∆ψ
der Winkel zwischen Fahrzeugmittelachse und der Tangente der Fahrspurmarkierung. Wird TLC kleiner als ein vorgegebener Grenzwert, wird die Warnung ausgegeben. Da sich nach (Graf & Krebs, 1976) Fahrzeugführer bei Kurvenfahrten tendenziell an der inneren Fahrspurmarkierung orientieren, wird
dieses Verhalten durch die Funktion berücksichtigt. Im Falle einer Regelung
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mit Gefahrenbereichen wird die Gefahrenbereichsbreite an der kurveninneren Fahrbahnmarkierung mit zunehmender Kurvenkrümmung verringert. Bei
der Mittenspurführung vergrößert sich entsprechend die Fahrschlauchbreite zum Kurveninneren. Eine weitere Notwendigkeit in Kurvenbereichen besteht im Schwenken der Lichtbarrieren, damit diese möglichst tangential zu
den Fahrbahnmarkierungen liegen und nicht neben der Fahrspur. In Abb. 6.8
sind zwei Möglichkeiten der Schwenkwinkelansteuerung exemplarisch dargestellt. Durch kamerainterne Bildverarbeitungsalgorithmen ist es möglich, die
Krümmung der erkannten Fahrspurmarkierungen zu bestimmen. Das ermöglicht ein Schwenken der Lichtbarrieren abhängig von der vorliegenden Fahrspurkrümmung. Ein Vorteil dieser Ansteuerungsart ist die prädiktive Anpassung der Lichtbarrieren an den Fahrbahnverlauf. Bei der lenkwinkelbasierten
Ansteuerung hingegen besteht ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen
Lenkradwinkel und Schwenkwinkel. Insbesondere beim Ein- und Ausfahren in
bzw. aus Kurvenverläufen liegen die Lichtbarrieren nicht korrekt auf der Fahrspur, da das Lenkrad erst bei Beginn der Kurve eingeschlagen wird (vgl. Abb.
6.8 rechts). Je weiter die Lichtbarrieren vor dem Fahrzeug liegen und je größer
die Kurvenkrümmung, desto größer ist die Positionsabweichung der Lichtbarrieren von der Fahrspur.
Abbildung 6.8: Kamerabasierte (links) und lenkwinkelbasierte (rechts) Schwenkwinkelansteuerung
Wenn mindestens eine Fahrspurmarkierung erkannt wird, werden die Lichtbarrieren prädiktiv angesteuert. Befinden sich übergangsweise keine Fahrspurmarkierungen auf der Straße greift die lenkwinkelbasierte Ansteuerung.
Durch diese hybride Ansteuerungsweise wird gewährleistet, dass auch in Streckenabschnitten ohne Fahrspurmarkierungen die Schwenkwinkel mitgeschwenkt
werden und den Fahrer weiterhin bei der Spurführung unterstützen. In beiden
Fällen werden die Lichtbarrieren parallel geschwenkt, die Schwenkwinkel weisen somit identische Beträge auf.
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Optische Unterstützung in Baustellen
Basierend auf den Kenntnissen des oben vorgestellten Konzeptes konkretisierte sich die Anwendung insbesondere auf Engstellen und Baustellenbereiche. Hierbei werden identisch zum oben beschriebenen Konzept die beiden Lichtbarrieren auf die Fahrbahn projiziert und in Kurven dynamisch mitgeschwenkt. Die Schwenkwinkelansteuerung erfolgt in Baustellenbereichen
aufgrund zumeist fehlender oder nicht eindeutiger Fahrspurmarkierungen basierend auf dem Lenkradwinkel. Die PWM der LEDs wird hingegen konstant
auf dem Maximalwert gehalten und nicht abhängig von der Position in der
Fahrspur geregelt. Die Breite der Lichtbarrieren entspricht in diesem Konzept
exakt der Fahrzeugbreite inklusive Außenspiegeln. Somit kann der Fahrzeugführer die Breite des eigenen Fahrzeuges besser abschätzen. Insbesondere
in zweispurigen Baustellenabschnitten ist die linke Spur sehr eng ausgelegt.
Mit Hilfe der optischen Unterstützung in Baustellen lässt sich bspw. bei einem Überholmanöver der vorhandene Platz besser einschätzen. Die Funktion
lässt sich jederzeit manuell durch den Fahrer aktivieren bzw. deaktivieren und
kann somit auch auf anderen Straßenabschnitten assistierend zugeschaltet
werden.
Ergebnisse
Die im Versuchsträger implementierten Konzepte wurden in Nachtfahrten erprobt und optimiert. Die Unterstützung in engen Fahrspuren und Baustellenbereichen durch die Lichtbarrieren wurde in einem Expertenrating als positiv
eingeschätzt. In Abb. 6.9 ist die Funktionalität des Spurhalteassistenten aus
Sicht des Fahrers für diskrete Positionen in der Fahrspur verdeutlicht. Das
obere Bilderpaar zeigt die Ausgangssituation, in der sich das Fahrzeug mittig
in der Spur befindet. Dies lässt sich auch mittels der Lichtbarrieren erkennen,
die auf beiden Seiten einen identischen Helligkeitswert und gleiche Abstände zu den jeweiligen Fahrspurmarkierungen aufweisen. Im zweiten Bilderpaar
weist das Fahrzeug eine Abweichung nach links von der Fahrspurmitte auf,
was durch eine hellere Lichtbarriere verdeutlicht wird. Im letzten Bild weist das
Fahrzeug eine so große Abweichung von der Fahrspurmitte auf, dass der maximale PWM Wert angesteuert wird. Es wird ersichtlich, dass auch unabhängig von der Helligkeit der Lichtbarrieren die Position in der eigenen Fahrspur
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
111
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
besser einschätzbar ist. Für die PWM Ansteuerung eignet sich das Konzept
der Mittenführung besser als das über Gefahrenbereiche, da der Fahrzeugführer frühzeitiger über Abweichungen vom idealen Kurs informiert wird und
diesen schneller korrigieren kann.
Abbildung 6.9: Funktionsdarstellung der optischen Spurführungsassistenz bei Regelung mittels Gefahrenbereichen
112
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
In Abb. 6.10 ist die optische Unterstützung in Baustellen und schmalen Fahrspuren dargestellt. Durch eine geänderte Schlitzblende liegen die Lichtbarrieren verglichen zu der Funktion des Spurhalteassistenten nun weiter zusammen und spiegeln die Fahrzeugbreite inklusive Außenspiegel wider. Des Weiteren zeigt sich im linken Bild, dass die Lichtbarrieren in Kurvenbereichen aufgrund der Schwenkbewegung annähernd tangential zu den Fahrbahnmarkierungen liegen und für den Fahrer gut erkennbar bleiben. Das rechte Bild zeigt
eine sehr enge Fahrspur. In dieser Situation ist die Positionierung des Fahrzeuges über die Lichtbarrieren besonders hilfreich. Der unterschiedliche Farbeindruck der Lichtbarrieren auf den beiden Bildern, ist auf die Umgebungsbeleuchtung im rechten Bild zurückzuführen.
Abbildung 6.10: Kurven- und Geradeausfahrt in einem Baustellenbereich
Auch bei entgegenkommendem Verkehr bleiben die Lichtbarrieren für den
Fahrer gut sichtbar. Dies ist in Abb. 6.11für Entfernungen von 50 m, 25 m, und
12,5 m verdeutlicht. Die linken Bilder aus Sicht des Fahrers zeigen die Lichtbarrieren mit 20%, während die Rechten die Situation mit 100% des PWM
Maximalwertes darstellen. Bei einer Distanz von etwa 25 m ist eine leicht verschlechterte Sichtbarkeit der Lichtbarrieren zu erkennen.
Die Anforderungen an den beweglichen Trägerrahmen für die Darstellung
von scharfen Symbolen sind deutlich höher als bei einer standardmäßigen
Fahrlichtfunktion. Dies ist bei der weiteren Entwicklung der Funktion zu berücksichtigen. Des Weiteren bietet der Prototyp noch eine eingeschränkte Variabilität in Bezug auf die Position der Lichtbarrieren. So lässt sich die laterale
Position nur durch Verwendung einer anderen Schlitzblende beeinflussen. Als
Weiterentwicklung ist zusätzlich eine variable Positionsanpassung denkbar,
da z.B. bei Fahrten mit einem Anhänger die Breite des Gespanns über der
des Fahrzeuges liegen könnte.
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
113
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Abbildung 6.11: Sichtbarkeit der Lichtbarrieren bei entgegenkommendem Verkehr
Fazit
Beide Konzepte nutzen die Lichtbarrieren als Kommunikationsschnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten
Konzepte im Versuchsträger funktionsfähig und während Versuchsfahrten von
Experten zum Großteil als hilfreich eingestuft worden sind. Im Vergleich zu
Visualisierungen im Kombiinstrument oder Head-Up-Display bietet die Projektion auf der Fahrbahn den Vorteil, dass sich der Blickfokus des Fahrers weiter vor dem Fahrzeug befinden kann und somit relevante Informationen besser bzw. früher wahrgenommen werden könnten. Des Weiteren lassen sich
Objekte kontaktanalog auf der Fahrbahn darstellen. Dies ist ebenfalls mit einem HUD Display möglich, jedoch erfordern heutige technische Umsetzungen
einen großen Bauraum im Armaturenbrett des Fahrzeugs. Ebenfalls ist die
Größe der Eye Box, in der HUD Inhalte dargestellt werden können, abhängig
114
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
von der verwendeten Hardwaregröße. Die Nachteile der direkten Projektion
liegen in der Nutzungsbeschränkung bei Tageslicht und widrigen Wetterverhältnissen (Regen und Schnee). So könnte bei nasser Fahrbahn aufgrund
starker Reflektionen an der Fahrbahnoberfläche etwa der Gegenverkehr geblendet oder abgelenkt werden. In Kombination mit einem Regensensor ließe
sich die Nutzung der Funktion in solchen Fällen jedoch unterbinden. Direkte
Projektion und HUD Technologie könnten sich abhängig von Licht- und Wetterverhältnissen sinnvoll ergänzen.
Eine Einschränkung des vorgestellten prototypischen Systems besteht noch
in der geringen Variabilität. So ist eine Anpassung der lateralen Position, die
vom Fahrer frei wählbar sein könnte, aufgrund der beschränkten Freiheitsgrade „Schwenken“ und „Neigen“ nicht möglich. Mit einer vollvariablen Lichtverteilung mit hoher Auflösung könnte eine Optimierung der vorgestellten Konzepte
erzielt sowie eine Grundlage zur Erforschung weiterer aktiver Lichtfunktionen
geschaffen werden. Hierzu bieten sich optische Konzepte aus der Videoprojektion an, die bspw. scannende Spiegel oder DLP Chips zur Erzeugung eines vollvariablen Bildes verwenden. In Verbindung mit Laserdioden als neuer
Lichtquelle im Automobil sind neue Scheinwerferkonzepte möglich. So lassen
sich aufgrund der hohen Leuchtdichten kleinere optische Bauteile verwenden,
wodurch der Bauraum verkleinert werden könnte. Aufgrund der Eigenschaften ist ferner eine Zentralisierung der Lichtquelle möglich, so dass die Lichteinspeisung in Scheinwerfer, Rückleuchten etc. mittels Faseroptiken realisiert
werden kann. Zur weiteren Absicherung und Akzeptanz der Lichtfunktionen,
insbesondere der optischen Unterstützung in Engstellen und Baustellenbereichen, werden demnächst weitere Probandenstudien durchgeführt.
Literaturverzeichnis
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Bundesamt.
• Diem, C. (2005). Eye Movement Behaviour of Car Drivers. München:
Herbert Utz Verlag GmbH.
• Graf, C. P., & Krebs, M. J. (1976). Headlight Factors and Nighttime Vision. Final Report.
• Lerner, M., Albrecht, M., & Evers, C. (2005). Das Unfallgeschehen bei
Nacht. Bergisch Gladbach: Bundesanstalt für Straßenwesen.
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
115
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
• Schlag, B. (1995). Fahrverhaltensbeobachtungen bei jüngeren und älteren Kraftfahrern. Baden-Baden: ADAC - Hauptabteilung Verkehr.
• Schneider, D. (2011). Markierungslicht - eine Scheinwerferlichtverteilung zur Aufmerksamkeitssteuerung und Wahrnehmungssteigerung von
Fahrzeugführern. München: Herbert Utz Verlag.
116
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
7 Direct Manufacturing optomechatronischer
Komponenten
Dipl.-Ing. Alexander Wolf
IPEG - Institut für Produktentwicklung und Gerätebau
Leibniz Universität Hannover
Welfengarten 1A
D-30167 Hannover
Tel.: +49 511 762-3472
Email: [email protected]
Internet: http://www.ipeg.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
117
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
: Turning ideas into vision :
Direct Manufacturing
optomechatronischer Komponenten
Alexander Wolf
Institut für Produktentwicklung und Gerätebau
Leibniz Universität Hannover
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Gliederung
Lassen sich kunststoffoptische Komponenten
mit Direct Manufacturing-Verfahren erzeugen?
• Überblick DM-Verfahren
• DM von Spiegelträgern
• DM von transmissiven Optiken
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
118
Direct Manufacturing
2
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Motivation
• Kleinserien- und Musterbau
• Verzicht auf spezifische Werkzeuge
• Fertigung von Freiformflächen
• Hohe Funktionsintegration, z.B. Kühlstrukturen
• Kosten- und Zeiteffizienz
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
3
Anforderungen
15µm
1.
2.
3.
4.
Geometriepräzision
Rauheit
Fertigungsgeschwindigkeit
Verarbeitbare Materialien
• Optische Eigenschaften
• Mechanische Eigenschaften
Sun / Kawata / Ovsianikov, Aleksandr; Chichkov, Boris N.
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
4
119
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
DM Verfahren
Schreibkopf
Fused Layer Deposition
•
•
•
Maschine: HP Designjet 3D Printer
Material: Thermoplaste, z.B. ABS
Schichtstärke: 254µm
Selektives Lasersintern
•
•
•
Maschine: EOS Formiga P100
Material: PA2200
Schichtstärke: 100µm
Auflage
Trägertisch
Modell
Stützkonstruktion
Stützmaterialspule
Baumaterialspule
Laser
Spiegel
Laserstrahl
Modell
Verteilrolle
Pulvervorrat
Pulverbett
Pulvervorrat
Trägertisch
Bauraum
Nach www.custompartnet.com
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
5
DM Verfahren
Selektives Verkleben
•
•
•
Maschine: Z Corporation Z-Printer 650
Material: zp 150
Schichtstärke: 89µm – 102µm
Bindemittelvorrat
Verteilrolle
Pulvervorrat
•
•
•
Maschine: Objet Connex 260 / 350
Material: ABS-like / VeroClear / Helios
Schichtstärke: 16µm – 30µm
Pulverbett
Trägertisch
Bauraum
X-Achse
Inject-based Liquid Process
Druckkopf
Modell
UV-Lampe
Modellmaterial
Stützmaterial
Trägertisch
Y-Achse
Druckkopf
UV-Lampe
Z-Achse
Nach www.custompartnet.com, Objet
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120
Direct Manufacturing
6
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
50mm
Spiegelträger: Geometrie
Direct Manufacturing
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
7
Oberflächeneigenschaften
0,1 mm
Objet Connex 350, VeroClear glossy
Maschine
HP Designjet 3D Printer
Objet Connex 350
Z Corporation Z-Printer 650
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
5 mm
unbehandelt
poliert
Formiga P100
5 mm
unbehandelt
poliert
Z-Printer 650
Werkstoff und
Druckmodus
ABS (ohne Politur)
VeroClear glossy
Helios glossy
Helios matt
zp 150
Mittenrauwert Ra
in µm
27,737
7,013
8,271
3,651
20,087
Direct Manufacturing
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
8
121
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Beschichtung
(a)
(e)
Bildteil
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Glas BK7
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(b)
(c)
(d)
(f)
(g)
(h)
Maschine
HP Designjet 3D Printer
HP Designjet 3D Printer
Objet Connex 260
Objet Connex 350
Objet Connex 350
EOS Formiga P100
Z-Printer 650
Material
ABS (poliert)
ABS (mit Filler überzogen)
ABS-like
Vero Clear
Helios
PA 2200
zp150
Direct Manufacturing
9
Versuchsaufbau
Licht- und Bildquelle
(Projektor)
Leuchtdichtekamera
Leinwand
Spiegelhalter
(a)
exemplarischer
Lichtstrahl
Licht- und Bildquelle
(Projektor)
schematische Draufsicht
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122
Direct Manufacturing
10
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Abbildung 3.1:
Aufbau für die Untersuchung der Konkavspiegelmuster mit einer Leuchtdichtekamera
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Reflexionseigenschaften
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Direct Manufacturing
11
Direct Manufacturing
12
Reflexionseigenschaften
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
123
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Eigenschaften VeroClear
Einsatzbereich bis ca. 40oC
Wärmeformbeständigkeit 40oC-45oC
Glasübergangstemperatur 52oC-54oC
20oC
30oC
40oC
50oC
60oC
70oC
Nach Materialdatenblatt Objet
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
13
Direct Manufacturing
14
Transmission
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
124
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Brechkraft
Hg
Cd
Angenäherte Cauchy-Reihe
Abbe‘sche Zahlen
6,3248 ∙ 10−3 ∙ µm2 5,3673 ∙ 10−5 ∙ µm4
𝑛 𝜆 = 1,5125 +
−
𝜆2
𝜆4
𝜐𝑒 = 46,202
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
𝜐𝑑 = 46,492
15
Vergleich zu anderen optischen
Kunststoffen
VeroClear
Nach Bliedtner, Gräfe: Optiktechnologie
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
Direct Manufacturing
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
16
125
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Fazit
• Prototypenfertigung möglich
• Effiziente Herstellung von Freiformspiegeln und -Linsen
• Optische Eigenschaften geringer als bei konventionellen
Glasprodukten
• Thermomechanische Stabilität der Bauteile muss
berücksichtigt werden
 Überdimensionieren von z.B. Lichtquellen begegnet im
Prototypenbau dem geringeren Reflexions- bzw.
Transmissionsvermögen des Materials
 Fused Layer Deposition mit PMMA geplant
© 2013 IPeG Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer
126
Direct Manufacturing
17
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
8 Bildrückgeführte Kalibrierung eines
optomechanischen Bildderotators mit einer
6-Achsen-Parallelkinematik
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin Rohloff
IMR - Institut für Mess- und Regelungstechnik
Leibniz Universität Hannover
Nienburger Straße 17
D-30167 Hannover
Tel.: +49 511 762-4280
Email: [email protected]
Internet: http://www.imr.uni-hannover.de
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
127
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
7. Workshop Optische Technologien
26. November 2013
Bildrückgeführte Kalibrierung eines optomechanischen
Bildderotators mit einer 6-Achsen-Parallelkinematik
Benjamin Rohloff
Leibniz Universität Hannover
Institut für Mess- und Regelungstechnik
Direktor: Prof. Dr.-Ing. Eduard Reithmeier
Institut für Mess- und Regelungstechnik
Inhalt
•
Funktionsweise des Derotators
•
Messaufgaben des Derotators
•
Aufbau des Versuchsstands
•
Modellierung der optischen Abbildung
•
Kalibrierungsansatz
•
Simplex-Algorithmus nach John Nelder und Roger Mead
•
Identifikation des Antriebs
•
Zusammenfassung
Kalibrierung eines Bildderotators
128
-2-
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Funktionsweise des Derotators
Kalibrierung eines Bildderotators
-3-
Messaufgaben des Derotators
-
Schwingungsmessungen an schnell rotierenden
Bauteilen
-
Deformationsmessungen bei rotierenden
Werkzeugen
-
Untersuchung der Bruchmechanik an
rotierenden scheibenförmigen Werkzeugen
(z.B. Bersten von Schleifscheiben)
-
Thermografische Untersuchung von
Verschleißvorgängen (z.B. Reibung in
Wälzlagern)
-
Strömungsmessungen in Radialverdichtern
-
Untersuchung der Akustik von Reifen
Kalibrierung eines Bildderotators
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
-4-
129
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Versuchsstand
Derotator
Messobjektmotor
Hexapod
NI Echtzeitsystem
Kalibrierung eines Bildderotators
-5-
Versuchsstand
Positionierung
StromRegelung
Strom-,
Drehzahl-,
Lage-Regelung
Drehzahl-,
Lage-Regelung
Drehzahlprofile
Regelung
Sollwertvorgabe
Integration der Bildverarbeitung
PXI-Plattform mit LabVIEW Real-Time
Kalibrierung eines Bildderotators
130
-6-
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Modellierung der optischen Abbildung
-
 xd 
 xi 
 
 
Koordinatensysteme Qi   yi  und Qd   yd 
z 
z 
 i
 d
-
 dx 
 
Translationsvektor d   d y 
d 
 z
-
Rotationsmatrizen nach Roll-Pitch-Yaw
 cos  0  sin  
 cos 
0
0 
1



Rx   0 cos sin   Ry   0
1
0  Rz    sin 
 0  sin  cos 
 sin  0 cos  
 0





-
Drehung des Derotators
 cos  sin  0 


Rrot    sin  cos  0 
 0
0
1 


Qd  Rid Qi  d

sin  0 

cos  0 
0
1 
mit Rid  Rrot Rz R y Rx
Kalibrierung eines Bildderotators
-7-
Modellierung der optischen Abbildung
-
Verlauf des Strahls
-
Abbildung in die Bildebene Bd  Qd  t0b0  t1b1  t2b2  t3b3  t4b4
-
 0 


Verschiebung in den Koordinatenursprung Bd  d k mit d k   0 
d  b
 L

-
T
Bd  d k
Derotierung der stehenden Kamera Bb  Rrot


Kalibrierung eines Bildderotators
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
-8-
131
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Modellierung der optischen Abbildung
-
Darstellung der Abbildungsgleichung in Komponentenschreibweise
xb   2 xi cos   2 yi sin  sin   2d x cos   2d y sin  sin   2d z cos  sin   cos 2 
  yi cos   d y cos   d z sin   sin 2  xi cos   yi sin  sin   d x cos   d y sin  sin   d z cos  sin 
yb   2 yi cos   2d y cos   2d z sin   cos 2 
  xi cos   yi sin  sin   d x cos   d y sin  sin   d z cos  sin   sin 2  yi cos   d y cos   d z sin 
-
Annahme einer idealen Derotation
 r cos 0  Q t   optimale Kalibrierung

 r sin 0  Q t   d x  d y      0


Qi  
-
Drehzahlkopplung
D  1 2 Q
 r cos 0 

 r sin 0 
Bb  
Berücksichtigung von Kalibrierungs- und Justierungsfehlern
→ Analyse der Auswirkungen auf die optische Abbildung
→ Herleitung von Kalibrierungsstrategien
Kalibrierung eines Bildderotators
-9-
Modellierung der optischen Abbildung
-
Fehlkalibrierung durch parallele optische Achsen
von Messobjekt und Derotator
→ Rotation der gesamten Abbildung auf
einem Kreis mit dem Radius d  d x2  d y2
-
Einführung eines Derotatorfehlers in Form
einer Verschiebung des oberen
Planspiegels um d f (Kreisbewegung)
Kalibrierung eines Bildderotators
132
- 10 -
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Modellierung der optischen Abbildung
-
Berücksichtigung von Verkippungen der optischen Achsen gegeneinander
-
Reduzierung auf ein ebenes Problem
→ Optische Achse des Derotators ist in einer Raumrichtung ideal ausgerichtet
→ Abbildung des Messobjektzentrums Qi  0  Bb
→ Vereinfachung der Abbildungsgleichung
-
Optische Achse des Derotators befindet sich in der xi , zi Ebene
dx
 tan 
dz
-
Eliminierung der Verkippung 
durch Verschiebung um d x , d z
Optische Achse des Derotators befindet sich in der yi , zi Ebene
dy
dz
  tan  Eliminierung der Verkippung 
durch Verschiebung um d y , d z
Kalibrierung eines Bildderotators
- 11 -
Kalibrierungsansatz
-
Darstellung der optischen Abbildung mit Fehlkalibrierung und Derotatorfehler
 r cos 0   cos 2 sin 2   d x   d f sin  
Bb  




 r sin 0   sin 2  cos 2   d y   d f cos  
I
II
III
→ I derotierter Objektpunkt
→ II Einfluss einer Fehlkalibrierung
(Verkippung/Verschiebung)
→ III Einfluss eines Derotatorfehlers
-
Bildbewegung in Form einer Pascalschen Schnecke
d x  d cos 
x '  2d cos 2   d f cos 
mit
d y  d sin 
y '  2d cos  sin   d f sin 
-
Eliminierung der Fehlkalibrierung durch Identifikation
→ der Parameter d , d f mit Hilfe der industriellen Bildverarbeitung
→ Minimierung des Parameters d durch iteratives Verfahren
Kalibrierung eines Bildderotators
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
- 12 -
133
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Simplexmethode von Nelder und Mead
Funktionswertberechnung:
Start
Positionierung
p  ( x, y ,  ,  )
p1 , , p 5
-
Aufnahme von 360 Bildern bei einer Derotatorumdrehung
-
Abweichung von Messdaten und approximierten Daten
-
Approximation mit Particle Swarm Optimization
-
bei geringen Restbewegungen Ellipse statt Pascalsche Schnecke
Funktionswert
f ( p1 ), , f ( p 5 )
Sortierung
f ( p1 )   f ( p 5 )
Kalibrierung eines Bildderotators
- 13 -
Simplexmethode von Nelder und Mead
p 5  p refl
Schwerpunkt
1 4
S   pi
4 i 1
Sortierung
f ( p1 )   f ( p 5 )
ja
Reflektierter Punkt
p refl  S     S  p 5 
f ( p1 )  f ( p refl )  f ( p 4 )
nein
nein
f ( p refl )  f ( p 5 )
ja
nein
p kon
p 5  p kon
Kontraktion
 S     p refl  S 
f ( p refl )  f ( p1 )
ja
Kontraktion
p kon  S     p 5  S 
p
exp
f ( p kon )

min  f ( p 5 ), f ( p refl )
ja
f ( p exp )  f ( p refl )
Schrumpfung
1 1
 p  pi  für i  2,
2
p refl  p exp
,5
Kalibrierung eines Bildderotators
134
nein
ja
nein
pi 
Expansion
 S     p refl  S 
- 14 -
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Identifikation des Antriebs
Positionsistwert
Stromsollwert
Transformator
Motorfilter
Netzdrossel
Netzteil
Bremswiderstand
Kalibrierung eines Bildderotators
- 15 -
Identifikation des Antriebs
M*
G( s)
M
1
MP


MA
MR
J
linearer
Systemanteil
NL stat
NL R
NL P
NL dyn
e
NL dyn
1
Gˆ ( s )
M̂
Mˆ A
Beobachter
l2
l1
J
̂
̂
Mˆ R
Mˆ P
GRNN
NL stat
HANN
Kalibrierung eines Bildderotators
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
- 16 -
135
Tagungsband des 7. Workshops für Optische Technologien
Zusammenfassung/Ausblick
-
Grundlegende Funktionsweise eines Derotators
-
Nachteile konventioneller
-
Vorteile des IMR-Derotators
Lösungsansätze mit Prisma
-
Aufbau des Versuchsstandes
-
Beschreibung der optischen Abbildung
-
mathematische Formulierung eines
-
Analyse der Auswirkungen einer
idealen Derotators
fehlerbehafteten Kalibrierung und Justierung
-
Erläuterung des iterativen Kalibrierungsvorgangs basierend auf dem Downhill-Simplex
von John Nelder und Roger Mead
-
Identifikation des nichtlinearen Antriebs basierend auf strukturierten rekurrenten
neuronalen Netzen
Kalibrierung eines Bildderotators
- 17 -
Institut für Mess- und Regelungstechnik
Leibniz Universität Hannover
Kontakt: [email protected]
Institut für Mess- und Regelungstechnik
Nienburger Str.17
30167 Hannover
Institut für Mess- und Regelungstechnik
136
c 2013 Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Hannoversches Zentrum für Optische Technologien
Tagungsband des siebten Workshops für Optische Technologien
Das Hannoversche Zentrum für Optische Technologien (HOT) ist ein Zusammenschluss der Fakultät für Maschinenbau, der Fakultät für Mathematik und Physik (beide
Leibniz Universität Hannover) und des Laser Zentrums Hannover e.V. Weitere Mitglieder sind Institute der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik (Leibniz Universität
Hannover), das IPROM und IHF der TU Braunschweig, die PTB und das Laser Anwendungszentrum der TU Clausthal. Das Ziel des HOT ist die Bündelung der Kompetenzen im Bereich optischer Technologien in Hannover, wodurch die Forschungsund Entwicklungsleistung in diesem schnell wachsenden und interessanten Gebiet
gesteigert werden soll. Mit den derzeit 22 Mitgliedern greift das HOT auf einen großen
Fundus an Know-How zurück, der die Grundlage für die eigenen und kooperativen
Forschungsvorhaben bildet.
Schwerpunkt des diesjährigen HOT-Workshops war das Thema »Optische Information«. Der Workshop beleuchtete dieses Thema sowohl aus Sicht des Anwenders
als auch des Wissenschaftlers und bot interessierten Anwendern und Entwicklern ein
Forum für Kontaktaufnahme, Diskussion und Information.
Die Vorträge bilden den Inhalt dieses Tagungsbandes.
Weitere Informationen finden Sie unter www.hot.uni-hannover.de
ISBN 978-3-944586-55-7