{"id":28964,"date":"2025-03-27T09:00:00","date_gmt":"2025-03-27T08:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=28964"},"modified":"2025-12-03T16:51:59","modified_gmt":"2025-12-03T15:51:59","slug":"vom-mems-scanner-zum-lidar-system-ueber-die-weiterentwicklung-einer-besonderen-technologie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/interviews\/vom-mems-scanner-zum-lidar-system-ueber-die-weiterentwicklung-einer-besonderen-technologie\/","title":{"rendered":"Vom MEMS-Scanner zum LiDAR-System<\/strong> | \u00dcber die Weiterentwicklung einer besonderen Technologie"},"content":{"rendered":"\n
©<\/span>Adobe Stock | Vitte Yevhen <\/div><\/div><\/div>\n
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Im Interview: Prof. Shanshan Gu-Soppel vom Fraunhofer ISIT
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F\u00fcr Bereiche wie z.\u00a0B. autonomes Fahren, Smart Cities und industrielle Produktion wird es immer wichtiger, Technologien zu entwickeln, mit denen Objekte und Gegenst\u00e4nde in Echtzeit automatisch erkannt werden k\u00f6nnen. Dazu m\u00fcssen gro\u00dfe Fl\u00e4chen und R\u00e4ume exakt, schnell und mit minimalem Energieaufwand gescannt werden. MEMS-Scanner erm\u00f6glichen genau dies. Wir sprachen mit Prof. Dr. Shanshan Gu-Stoppel, Gruppenleiterin f\u00fcr Optische Mikrosysteme am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Siliziumtechnologie ISIT, \u00fcber MEMS-Scanner, deren Einsatz in LiDAR-Anwendungen und welche Rolle die APECS-Pilotlinie in Bezug auf die Technologie k\u00fcnftig spielen wird.<\/strong><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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©<\/span>Fraunhofer Mikroelektronik<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Prof. Gu-Stoppel, Sie haben uns heute etwas mitgebracht. Was genau sehen wir hier?<\/strong><\/p>\n

\u00bbWir sehen eine LiDAR-Kamera \u2013 also eine 3D-Kamera \u2013, die wir auf Basis von 2D-MEMS-Scannern entwickelt haben. MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) sind kleine, mikroskopische Mechanismen, die auf einem Siliziumchip montiert werden, um mechanische, elektrische und optische Funktionen zu integrieren. Zum Einsatz kommen sie in verschiedenen Bereichen \u2013 wie Sensorik, Aktuatorik und Kommunikation. Speziell MEMS-Scanner nutzen mechanische Bewegungen, um Licht oder Laser zu steuern. Sie k\u00f6nnen sich schnell und pr\u00e4zise in zwei Dimensionen bewegen und, zusammen mit einer Laserquelle und genauen Photodetektoren, Daten der dreidimensionalen Umgebung erfassen. Das ist das grundlegende Funktionsprinzip von LiDAR-Kameras \u2013 ein optisches Messsystem, das mit Laserstrahlen arbeitet, um Entfernungen und Formen von Objekten zu messen.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Wie genau funktioniert so ein MEMS-Scanner, wie wir ihn hier sehen? K\u00f6nnen Sie uns etwas mehr zum Aufbau erz\u00e4hlen?<\/p>\n<\/div>

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Gern. Schauen wir uns einmal das Zentrum des Chips an. Hier sieht man im Inneren einer transparenten Glaskuppel eine gl\u00e4nzende, reflektierende Spiegelfl\u00e4che<\/strong>. Diese kleine Fl\u00e4che wird von einer hauchd\u00fcnnen Siliziumfeder gehalten, die als Aufh\u00e4ngung dient. Auf der Siliziumfeder<\/strong> wird ein Piezo-Antriebsmaterial<\/strong> abgeschieden, sodass sich die kleine Spiegelfl\u00e4che bewegen kann. Au\u00dferdem schlie\u00dft die Glaskuppel den MEMS-Scanner im Vakuum<\/strong> ein. Diese Vakuumumgebung ist entscheidend, um die Funktionalit\u00e4t des Scanners zu optimieren und die Bewegungen des Spiegels stabil<\/strong> zu halten. Sie minimiert den Luftwiderstand und erm\u00f6glicht es dem Scanner, sich mit geringem Energieaufwand zu bewegen. So kann er pr\u00e4zise und effizient arbeiten, ohne viel Energie zu verbrauchen. Dass das Glas in Form einer Kuppel ist, hat nat\u00fcrlich auch seine Bewandtnis. Die Kuppelform sorgt daf\u00fcr, dass die Reflexion des Lichts gleichm\u00e4\u00dfig<\/strong> verteilt wird.<\/p>\n<\/div>

Warum ist eine gleichm\u00e4\u00dfige Verteilung des Lichts zu wichtig?<\/p>\n<\/div>

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Durch eine gleichm\u00e4\u00dfige Lichtverteilung kann der MEMS-Scanner nicht nur einzelne Punkte, sondern ganze Fl\u00e4chen messen<\/strong>. So kann ein gr\u00f6\u00dferes Messfeld abgedeckt werden, wodurch der Scanner effizienter wird und eine umfassendere Messung der Umgebung erm\u00f6glicht. Schauen wir uns das gern einmal im Detail an: Wenn wir zum Beispiel einen Laserpointer auf eine Wand richten, entsteht ein kleiner Punkt. Wird der Laser jedoch auf einen beweglichen Spiegel gestrahlt, bewegt sich der Reflexionspunkt mit dem Spiegel. Bei einer einfachen 1D-Bewegung des Spiegels w\u00fcrde der Punkt zu einer Linie werden. Das ist die 1D-Bewegung. Wenn sich der Spiegel jedoch in 2D bewegt, erzeugt der Reflexionspunkt eine Matrix oder ein Gitternetz.<\/p>\n

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Dieses Gitternetz<\/strong> ist wichtig f\u00fcr Systeme wie LiDAR, die Entfernungen messen. Bei LiDAR wird beispielsweise die Flugzeit des Laserstrahls ausgewertet \u2013 also die Zeit, die der Laserstrahl ben\u00f6tigt, um zu einem Objekt zu gelangen und nach der Reflektion zur\u00fcckzukehren. Wenn das Licht nur an einem Punkt reflektiert wird, l\u00e4sst sich lediglich die Entfernung zu diesem Punkt messen. Doch wenn der Spiegel des MEMS-Scanners sich bewegt, kann er den Laserstrahl in verschiedene Richtungen lenken<\/strong>. So wird nicht nur eine einzelne Entfernung gemessen, sondern verschiedene Punkte oder ganze Fl\u00e4chen. Das bedeutet, mit nur einer Laserquelle und einem beweglichen Spiegel kann man eine weitaus gr\u00f6\u00dfere Fl\u00e4che messen und so eine gr\u00f6\u00dfere Szene abdecken. Dies ist der Mechanismus, der in LiDAR-Kameras<\/strong> zum Einsatz kommt.<\/p>\n<\/div>

Wie gro\u00df ist so ein Feld, dass Sie am Fraunhofer ISIT messen k\u00f6nnen?<\/p>\n<\/div>

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Neulich haben wir es geschafft, eine Abdeckung von 90 x 90 Grad zu erreichen. Das bedeutet, dass die LiDAR-Kamera zum Messziel einen Abstand von 4 Metern hat. Damit ist es m\u00f6glich, ein Feld von 8 x 8 Metern zu durchleuchten und Daten aus diesem Bereich zu erfassen. Das ist sehr gro\u00df und bisher einzigartig.<\/p>\n

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Das Ergebnis entstand in einem Fraunhofer-Leitprojekt \u2013 und wir arbeiten weiter an dem Thema. Das ist auch eine Teilaufgabe in APECS, der wir uns widmen werden. Nat\u00fcrlich machen wir nicht das Gleiche wie zuvor. Wir machen es noch besser und entwickeln die Technologie Schritt f\u00fcr Schritt weiter, mit den Ziele, noch h\u00f6her integriert, noch pr\u00e4ziser und noch energieeffizienter zu werden.<\/p>\n<\/div>

Wo kommt der MEMS-Scanner \u2013 bzw. die LiDAR-Kamera \u2013 schon zum Einsatz und wo soll es forschungstechnisch tendenziell noch hingehen?<\/p>\n<\/div>

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LiDAR-Kameras kommen u. a. zunehmend zum Einsatz, um z. B. Robotern und Maschinen in der Industrie das \u00bbSehen\u00ab in hellen, dunkeln oder komplexen Umgebungen zu erm\u00f6glichen. Ein Beispiel: LiDAR-Kameras k\u00f6nnten unter dem Dach einer Produktionshalle installiert werden, in der leistungsstarke Roboterarme arbeiten. In der Regel sollten Menschen nicht in die N\u00e4he eines solchen Roboters kommen, da Gefahrensituationen entstehen k\u00f6nnen. Doch im Produktionsprozess ist das nicht immer zu vermeiden. Ein Map-Sensorsystem \u2013 bestehend aus der LiDAR-Kamera und einem neuromorphischen Accelerator<\/strong> \u2013 erm\u00f6glicht daher eine kontinuierliche \u00dcberwachung der Umgebung.<\/strong><\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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©<\/span>Fraunhofer Mikroelektronik | Akvile Zaludaite<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

So kann das System nicht nur feststellen, dass ein Mensch zu nahe kommt, sondern auch andere unvorhergesehene Objekte oder Gefahren erkennen. Die Technologie erfasst und verarbeitet Daten in Echtzeit, sodass der Roboterarm sofort gestoppt und in eine sichere Position versetzt werden kann. Dies sorgt nicht nur f\u00fcr die Sicherheit der Mitarbeitenden, sondern auch f\u00fcr die effiziente Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, selbst in dynamischen und komplexen Arbeitsumfeldern.<\/p>\n

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In APECS<\/strong> <\/a>arbeiten wir dann daran, noch zus\u00e4tzliche Sensoren zu installieren und der Technologie somit weitere Sinne zu verleihen. Also H\u00f6ren, F\u00fchlen, Riechen \u2026 Jeder Sinn soll durch ein Sensorsystem ersetzt werden, sodass die produktionsf\u00e4hige Maschine diese F\u00e4higkeiten besitzt. Das w\u00fcrde die industrielle Produktion und auch die menschliche Arbeit enorm erleichtern und die Produktivit\u00e4t deutlich erh\u00f6hen. Davon abgesehen k\u00f6nnte eine solche Technologie nat\u00fcrlich auch im Haushalt oder beispielsweise im Automotivbereich eingesetzt werden. Ich glaube, multisensor-f\u00e4hige Systeme werden unser Leben und unsere Welt in Zukunft sehr verbessern.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Sie haben eben das Stichwort \u00bbneuromorph\u00ab genannt. Wie h\u00e4ngt die LiDAR-Technologie mit den Bereichen Quantencomputing und neuromorphes Computing zusammen?<\/p>\n<\/div>

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Im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Computern, die oft mit komplexen Prozessen zu k\u00e4mpfen haben, zielen Quanten- und neuromorphes Computing darauf ab, die Geschwindigkeit und Effizienz der Datenverarbeitung zu verbessern und die Grenzen der aktuellen Systeme zu erweitern, was besonders bei Echtzeitdaten<\/strong> aus LiDAR-Systemen von Vorteil sein k\u00f6nnte.<\/p>\n

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Sie m\u00fcssen sich das so vorstellen: LiDAR-Systeme sind wie unsere Augen<\/strong> \u2013 sie nehmen viele Informationen auf. Doch ohne ein Gehirn, das diese Daten verarbeitet<\/strong> und Entscheidungen trifft, sind die Informationen nicht n\u00fctzlich. Es ist nicht schwer, mit LiDAR-Systemen einen Laserstrahl zu erzeugen und jedes Photon, das zur\u00fcckkommt, zu messen. Das Problem liegt darin, dass herk\u00f6mmliche Computer nicht effizient mit dieser riesigen Menge an Daten umgehen k\u00f6nnen. Der Computer sieht zwar das Bild, aber um eine Entscheidung zu treffen, muss er gro\u00dfe Mengen an Informationen \u00bbabschneiden\u00ab, was zu einem Verlust von Details f\u00fchrt. Wenn wir jedoch in der Lage sind, die Daten schneller und effizienter zu verarbeiten, k\u00f6nnen wir auch viel mehr von den Informationen nutzen, die das LiDAR-System aufgenommen hat, und somit genauere und fundiertere Entscheidungen treffen. In der Industrie oder im Automotiv-Bereich ist das sicherheitsrelevant. Von daher arbeiten wir auf vielen verschiedenen Ebenen daran, unsere Technologien zu verbessern \u2013 nicht nur hinsichtlich der Verkn\u00fcpfungen zu anderen Themengebieten wie QNC<\/a>. Wir wollen unsere LiDAR-Technologie und die MEMS-Scanner noch weiter komprimieren und auch die Ansteuerungselektronik kleiner hinbekommen. Das ist auch ein Vorhaben in APECS.<\/strong><\/p>\n<\/div>

Auf APECS sind wir jetzt schon ein paar Mal zu sprechen gekommen. Die Pilotlinie<\/a> f\u00fcr resiliente, umweltvertr\u00e4gliche und vertrauensw\u00fcrdige heterogene Systeme soll in den kommenden Jahren entwickelt und aufgebaut werden und die Innovationsf\u00e4higkeit der europ\u00e4ischen Industrie in ihrer gesamten Breite f\u00f6rdern. K\u00f6nnen Sie uns etwas zum Start der Pilotlinie und den Zielen sagen?<\/p>\n<\/div>

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Nun, dazu muss man zun\u00e4chst verstehen, warum die EU dieses Thema so unterst\u00fctzt. Ziel ist es, die Wettbewerbsf\u00e4higkeit auf globaler Ebene zu st\u00e4rken und den Anschluss an f\u00fchrende Technologiem\u00e4rkte nicht zu verlieren. In der Vergangenheit haben wir uns in bestimmten Bereichen \u00fcberholen lassen. Oft haben wir Teile der Produktion dorthin verlagert, wo sie g\u00fcnstiger war. Das ist eine logische Entscheidung, wenn die Globalisierung funktioniert. Doch inzwischen wissen wir, dass wir Innovationen verpassen, wenn wir uns nicht selbst auf diese Technologien konzentrieren und die n\u00f6tige Expertise im eigenen Land aufbauen. Forschung und Entwicklung m\u00fcssen lokal unterst\u00fctzt werden, um wettbewerbsf\u00e4hig zu bleiben. Wenn wir uns nur auf externe Lieferanten verlassen, schr\u00e4nken wir auch unsere eigene Innovationskraft f\u00fcr die Zukunft ein. Genau an diesem Punkt kommt die APECS-Pilotlinie ins Spiel. Wir wollen das Thema Heterointegration ernst nehmen und auch die M\u00f6glichkeiten ausloten.<\/p>\n

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Daher wollen wir am Fraunhofer ISIT<\/a> im Rahmen der APECS-Pilotlinie das Thema Sensor-Fusion vorantreiben. Sensor-Fusion<\/strong> bedeutet nicht nur, dass wir die besten Komponenten entwickeln, sondern auch, dass die Interfaces perfekt aufeinander abgestimmt sind. Es geht darum, verschiedene Systeme nahtlos zusammenzuf\u00fchren und sicherzustellen, dass sie als funktionierende Einheit arbeiten. Salopp gesagt: Wir machen die Dinge noch multifunktionaler, noch kleiner und kompakter<\/strong>. Dazu arbeiten wir auch mit vielen Partnern zusammen. Und ich denke, am Ende der Pilotlinienlaufzeit k\u00f6nnen wir zeigen, dass die Entwicklungsumgebung und die gesamte Lieferkette f\u00fcr diese Technologie in Europa vorhanden sind und dass wir in der Lage sind, innovative Technologien unter den besten Bedingungen zu entwickeln und diese in marktreife Produkte umzusetzen.<\/p>\n

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Ich freue mich auf jeden Fall sehr auf die Arbeit und vor allem auf die Zusammenarbeit mit unseren Partnern und Kolleg:innen.<\/p>\n<\/div><\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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