Schnelles 3-D-Sehen

Prof. Dr.-Ing. Rudolf Schwarte

8.1.1939

geboren in Quakenbrück

1959

Abitur

1959 – 1965

Studium der Nachrichtentechnik an der Rheinisch-West-fälischen Technischen Hochschule Aachen

1965 – 1978

Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberingenieur am Institut für Technische Elektronik der RWTH Aachen

1969 – 1974

Leiter der Fachgruppe Schnelle Impulstechnik an der RWTH Aachen

1971 – 1978

Leiter der Fachgruppe Gigabit-Elektronik an der RWTH Aachen

1972

Promotion

1974 – 1978

Gutachter für das Bundesministerium für Forschung und Technologie

1976

Forschungsaufenthalte am Crainfield Institute of Technology, England, und am Deutsch-Französischen Forschungsinstitut, St. Louis, Frankreich

1978

Mitbegründer der Firma Sympuls - Gesellschaft für Pulstechnik und Messsysteme mbH, Aachen

1979 – 1980

Hauptabteilungsleiter bei der Firma Keiper GmbH & Co., Kaiserslautern

1980 – 1981

Entwicklungsleiter bei der Firma Mitec GmbH & Co., Ottobrunn

1981

C4-Ruf an das Institut für Nachrichtenverarbeitung (INV) der Universität Siegen

1988

Initiierung und Gründung eines interdisziplinären Zentrums für Sensorsysteme (ZESS) der Universität Siegen

1989 – 2001

Vorstandsvorsitzender der ZESS

seit 1989

Mitglied und zeitweise stellvertretender Leiter des Arbeitskreises „Optische Formerfassung“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) und der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. (DGZfP)

seit 1992

Mitglied des SENSOR- und des OPTO-Kongresskomitees

seit 1997

Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

seit 1997

Beirat des Heidelberger Bildverarbeitungsforums

1997

Gründung der S-TEC GmbH, Siegen, zur Umsetzung der PMD (Photonic Mixer Device)-Technologie

2002

Mitbegründer der PMDTechnologies GmbH, Siegen

Ehrungen:

1986, 1991, 1992

Bennigsen-Förder-Preis für innovative Projekte im Bereich optische 3D-Messung am Institut für Nachrichtenverarbeitung der Universität Siegen

1995, 1997

Innovationspreis des Landes Nordrhein-Westfalen

Dr.-Ing. Bernd Buxbaum

13.7.1970

geboren in Hachenburg

1989

Abitur

1990 – 1997

Studium der Mathematik und Elektrotechnik an der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Siegen

1997 – 2001

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Interdisziplinären Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) und dem Institut für Nachrichtenverarbeitung (INV) der Universität Siegen; DFG-Schwerpunktprogramm „Automatische Sichtprüfung tech-nischer Objekte“

1999 – 2001

Leiter der Fachgruppe „Smart Optical Sensors“ am ZESS/INV der Universität Siegen

2001

BMBF-Projekt „3D-SIAM: 3D-Sensorik für vorausschauende Sicherheitssysteme im Automobil“

2001

Promotion

2002

Entwicklungsleiter der S-TEC GmbH, Siegen

seit 2002

Technischer Geschäftsführer der PMDTechnologies und S-TEC GmbH, Siegen

Ehrungen:

1994

Aufnahme in den Philips-Nachwuchskreis

1997

Diplompreis des FB12 der Universität Siegen

Dipl.-Ing. (BA) Torsten Gollewski, MBA

21.7.1969

geboren in Ingolstadt

1989

Abitur

1990 – 1993

Studium der Elektrotechnik/Nachrichtentechnik an der Berufsakademie Ravensburg/Tettnang und DaimlerChrysler Aerospace AG, Ottobrunn

1993 – 1996

Mitarbeiter im Bereich Industrial Engineering bei der Conti Temic microelectronic GmbH (TEMIC), Ingolstadt

1996 – 1997

Mitglied der Internationalen Nachwuchsgruppe der TEMIC mit Projekten in Nürnberg, Heilbronn und Manila, Philippinen

1995 – 1998

Berufsbegleitendes Studium zum MBA (Master of Business Administration) am Henley Management College, Henley-on-Thames, Großbritannien

1998 – 1999

Leiter der Strategischen Planung im Bereich Insassenschutz bei der TEMIC, Ingolstadt

2000 – 2001

Assistent des Bereichsleiters Elektrik/Elektronik der Audi AG, Ingolstadt

seit 2001

Leiter der Abteilung Vorentwicklung Elektrik/Elektronik der Audi AG, Ingolstadt

seit 2002

Leiter der Abteilung Finanzen und Strategie der Audi Electronics Venture GmbH, Ingolstadt

seit 2002

Geschäftsführer der PMDTechnologies GmbH als Vertreter der Audi Electronics Venture, Ingolstadt

Ehrungen:

1994

Hauptpreis der Zeppelin-Stiftung für die Diplomarbeit im Bereich Hardware-Implementierung von neuronalen Netzwerken

Projektsprecher

Prof. Dr.-Ing. Rudolf Schwarte
Universität-GH-Siegen
Institut für Nachrichtenverabeitung (INV)
Zentrum für Sensorsysteme (ZESS)
Hölderlinstraße 3
57068 Siegen
Tel.: +49 (0) 271 / 74 03 330
Fax: +49 (0) 271 / 74 04 529
E-Mail: schwarte@nv.et-inf.uni-siegen.de

Pressekontakt

Jürgen De Graeve
International Communication
Strategy and Planning Audi AG I/GP-6     85045 Ingolstadt
Tel.: +49 (0) 841 / 89 34 084
Fax: +49 (0) 841 / 89 36 370
E-Mail: juergen.degraeve@audi.de

Bernd Buxbaum
PMDTechnologies GmbH
Wilhelm-von-Humboldt-Platz 13
57076 Siegen
Tel.: +49 (0) 271 / 23 85 382
Fax: +49 (0) 271 / 23 85 389
E-Mail: b.buxbaum@PMDTec.com

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.