Verlagspublikationen

Eines der Hauptziele führender Automobilhersteller sind autonome Fahrzeuge. Sie benötigen ein sehr präzises System für die Wahrnehmung der Umgebung, dass für jedes denkbare Szenario überall auf der Welt funktioniert. Daher sind verschiedene Arten von Sensoren im Einsatz, sodass neben Kameras u. a. auch Lidar Sensoren ein wichtiger Bestandteil sind. Die Entwicklung auf diesem Gebiet ist für künftige Anwendungen von höchster Bedeutung, da Lidare eine genauere, von der Umgebungsbeleuchtung unabhängige, Tiefendarstellung bieten. Insbesondere Algorithmen und maschinelle Lernansätze wie Deep Learning, die Rohdaten über Lernzprozesse direkt verarbeiten können, sind aufgrund der großen Reichweite und der dreidimensionalen Auflösung der gemessenen Punktwolken sehr wichtig. Somit hat sich ein weites Forschungsfeld mit vielen Herausforderungen und ungelösten Problemen etabliert. Diese Arbeit zielt darauf ab, dieses Defizit zu verringern und effiziente Algorithmen zur 3D-Objekterkennung zu entwickeln. Sie stellt ein tiefes Neuronales Netzwerk mit spezifischen Schichten und einer neuartigen Fehlerfunktion zur sicheren Lokalisierung und Schätzung der Orientierung von Objekten aus Punktwolken bereit. Zunächst wird ein 3D-Detektor entwickelt, der in nur einem Vorwärtsdurchlauf aus einer Punktwolke alle Objekte detektiert. Anschließend wird dieser Detektor durch die Fusion von komplementären semantischen Merkmalen aus Kamerabildern und einem gemeinsamen probabilistischen Tracking verfeinert, um die Detektionen zu stabilisieren und Ausreißer zu filtern. Im letzten Teil wird ein Konzept für den Einsatz in einem bestehenden Testfahrzeug vorgestellt, das sich auf die halbautomatische Generierung eines geeigneten Datensatzes konzentriert. Hierbei wird eine Auswertung auf Daten von Automotive-Lidaren vorgestellt. Als Alternative zur zielgerichteten künstlichen Datengenerierung wird ein weiteres generatives Neuronales Netzwerk untersucht. Experimente mit den erzeugten anwendungsspezifischen- und Benchmark-Datensätzen zeigen, dass sich die vorgestellten Methoden mit dem Stand der Technik messen können und gleichzeitig auf Effizienz für den Einsatz in selbstfahrenden Autos optimiert sind. Darüber hinaus enthalten sie einen umfangreichen Satz an Evaluierungsmetriken und -ergebnissen, die eine solide Grundlage für die zukünftige Forschung bilden.

Nicht nur die Erforschung des Klimawandels ist komplex, sondern auch die Analyse der Kommunikation über diese Forschung. Kommunikation über den Klimawandel ist nicht nur Wissenschaftskommunikation, sondern schon seit langem mindestens im gleichen Maße politische Kommunikation. Das zeigt sich auch in den Aufsätzen dieses Bandes. Der Band enthält 12 Beiträge zur Klimakommunikation in den verschiedenen Phasen des Kommunikationsprozesses: angefangen mit der Analyse von Veranstaltungskommunikation, über die Betrachtung medialer Kommunikationsinhalte bis hin zur Untersuchung der vielfältigen Reaktionen der Rezipierenden. Schwerpunkte bilden Ansätzen zur Segmentierung der Öffentlichkeit sowie experimentelle Studien, in denen die Wirkung verschiedener Kommunikationsstrategien getestet wird

Die automatische optische Inspektion ist das wichtigste Werkzeug der Qualitätskontrolle in der modernen Elektronikfertigung. Durch die automatisierte Bildaufnahme und das Ausführen vordefinierter Bildverarbeitungsschritte haben diese Systeme die manuelle optische Inspektion weitestgehend verdrängt. Trotz des großen Maßes an Automatisierung sind menschliche Experten an vielen Schritten der Prüfung unverzichtbar und damit potenzielle Fehlerquellen. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze untersucht, welche einzelne Aspekte der optischen Qualitätssicherung durch die Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz deutlich verbessern. Für den Wandel der optischen Inspektion hin zu einer verlässlichen und voll autonomen Prüfung wird in dieser Arbeit ein Modell mit fünf Phasen vorgestellt, welches die Entwicklungsschritte auf diesem Weg abbildet. Das neue Modell unterscheidet sich von bisherigen Ansätzen durch einen ganzheitlichen Blick auf die Qualitätskontrolle und die Berücksichtigung aller Prozessschritte. Um die Umsetzung dieses Modells zu tragen, zeigt diese Arbeit ein neues Architekturmuster auf, welches Lösungen auf Basis von künstlicher Intelligenz trainieren und ausführen kann. Durch seine hohe Flexibilität kann die neue Architektur über unterschiedliche Auslieferungen auf einer heterogenen Menge an Systemen angewendet werden und viele unterschiedliche Anwendungen von künstlicher Intelligenz über das Feld der optischen Inspektion hinaus umsetzen. Für die allgemeingültige Beschreibung von KI-Lösungen basiert diese Architektur auf einer Menge an Objekten, welche in dieser Arbeit definiert werden. Eine Umsetzung dieser Architektur wird diskutiert und ihre Anwendbarkeit anhand von drei Experimenten bewiesen. Die Implementierung der beschriebenen Architektur ist unter einer OpenSource-Lizenz veröffentlicht.

Sensorineurale Hörstörungen können mit einem Cochlea-Implantat behandelt werden. Der zu implantierende Teil des Cochlea-Implantat-Systems besteht aus Empfängerspule und Elektrodenträger. Der Elektrodenträger wird vom Chirurgen in die Cochlea inseriert, um dort die geschädigten Haarzellen zu ersetzen und die elektrische Stimulation des Hörnervs zu übernehmen. Diese manuelle Insertion des Elektrodenträgers in die Cochlea soll möglichst vorsichtig erfolgen, um keine intra-cochleären Strukturen zu beschädigen sowie post-operative Entzündungen und die iatrogene Ertaubung von Patienten mit Restgehör zu vermeiden, weswegen für diese Herangehensweise der Begriff „Soft Surgery“ geprägt wurde (Lehnhardt (1993), „Intracochlear placement of cochlear implant electrodes in soft surgery technique“). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Elektrodenträger und dessen Insertionsprozess in die Cochlea. Dazu werden zunächst digitale und anschließend physikalische, planare Modelle der humanen Cochlea erstellt, die die morphologische Variation abbilden. Diese werden anschließend für Insertionsstudien verwendet, welche dazu dienen, die Insertionskräfte während der Insertion zu messen. Es werden Einflussfaktoren auf den Insertionsprozess systematisiert und drei davon anhand von Studien mit eigens hergestellten Labormustern untersucht: Die Geometrie der Cochleamodelle, die Insertionsgeschwindigkeit des Elektrodenträgers und eine Beschichtung des Elektrodenträgers. Die Insertionsstudie in Cochleamodelle unterschiedlicher Größe wird verwendet, um die Abhängigkeit der Insertionskräfte von der Geometrie der Modelle zu analysieren. Der Einfluss der Insertionsgeschwindigkeiten und die Beschichtung des Elektrodenträgers werden mit dem Ziel einer Reduktion der Insertionskräfte untersucht. Abschließend wird ein fluidisch-aktuierter, nachgiebiger Mechanismus zur Funktionalisierung des Elektrodenträgers betrachtet. Zunächst wird ein im spannungsfreien Zustand gerader Mechanismus analysiert. Die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen nachgiebigen Mechanismus wird analytisch und numerisch gezeigt. Anschließend liefert die Synthese des fluidmechanischen Aktuators dessen geometrische Maße, um unter Druckbeaufschlagung mit definiertem Druck einer vorgegebenen Form zu entsprechen. Diese Synthese wird angewandt, um die Geometrien eines nachgiebigen Mechanismus für drei unterschiedlich große Formen der Cochlea zu bestimmen.

In dieser Arbeit wurden ein kostengünstiges Verfahren und eine Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung von SiO2-x-Schichten bei Atmosphärendruck (atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD) im Labormaßstab entwickelt. Dabei kommt die Hydrolyse von SiCl4 bei Raumtemperatur zum Einsatz. Der Anwendungsschwerpunkt für die SiO2-x-Schichten liegt im Bereich Photovoltaik (PV), speziell kristalline Siliziumsolarzellen. Dort ist die Reduzierung der Herstellungskosten von großer Bedeutung. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren für die chemische Gasphasenabscheidung senkt der gewählte Ansatz die Kosten für die SiO2-x-Schichtabscheidung deutlich. Hauptziele der Entwicklungsarbeit waren einfaches Reaktordesign, geringe Sicherheitsmaßnahmen und Wartungszeiten, die Vermeidung von Gasphasenreaktionen und Staubbildung, eine für PV-Anwendungen geeignete Schichtqualität sowie die Möglichkeit, die Abscheideraten in einem weiten Bereich zu variieren. Es wurde ein neuartiger APCVD-Reaktor aus Polycarbonat und thermoplastischen Materialien aufgebaut, mit dem die SiO2-x-Schichten heterogen auf der Substratoberfläche unter Eliminierung von Gasphasenreaktionen synthetisiert werden können. Die Abscheiderate wurde in Abhängigkeit von der Konzentration der Rektanden im Trägergas untersucht. Dank der Entwicklung geeigneter Verdampferkonfigurationen für die Raktenden SiCl4 und H2O können deren Konzentrationen in den inerten Trägergasen vor der Durchmischung in einem Injektor genau eingestellt werden. Die Schlüsselfaktoren für die Kontrolle und Steuerung dieser Konzentrationen sind die Temperaturen und die Volumenströme der Reaktandengase in den Verdampern und im Injektor. Das APCVD-Injektordesign wurde mit Hilfe numerischer Strömungsmechanik optimiert. Für die Simulationen wurde die Software ANSYS verwendet. Als Ergebnis der Optimierung können die SiO2-x-Schichten auf einer Substratfläche von 156 × 156 mm2 gleichmäßig abgeschieden werden. Das ist die derzeitige Standardgröße industriell hergestellter kristalliner Siliziumsolarzellen. Die Design-Studien hatten auch das Ziel, einen Injektor zu entwickeln, der ohne bewegte Teile für eine homogene Durchmischung der Gase sorgt. Das letztendlich geeignete Design wurde aus thermoplastischen Werkstoffen mit Hilfe von 3D-Druck im Schmelzschichtungsverfahren hergestellt. Ferner wurde die Reduzierung der Gasphasen-reaktion in der Nähe des Substrats durch Einstellung des Molverhältnisses der Reaktanden und eine geeignete Führung der Injektorabgase erreicht. Die Kondensation von Reaktanden und die parasitäre Oxidabscheidung auf den Innenflächen des APCVD-Injektors wurden erfolgreich vermieden, ohne dass ein bei Inline-APCVD-Injektoren üblicher Gasvorhang erforderlich ist. Die resultierenden APCVD- SiO2-x-Schichten wurden hinsichtlich ihrer chemischen und optischen Eigenschaften sowie ihrer Zusammensetzung umfassend charakterisiert, um ihre Qualität und Kompatibilität mit PV- und anderen potenziellen Anwendungen zu beurteilen. Dabei zeigte sich, dass die Schichten nahezu stöchiometrisch sind. Deswegen wurde die Bezeichnung SiO2-x anstelle von SiO2 gewählt. Die Abscheiderate wurde in Abhängigkeit von den Volumenströmen, der Substrattemperatur und dem Molverhältnis der Reaktanden untersucht. Die Variation der Substrattemperatur nahe der Raumtemperatur und des Molverhältnisses der Reaktanden führt zu einer großen Bandbreite von Abscheideraten und Materialeigenschaften. Die Hydroxylgehalte in den SiO2-x-Schichten wurden bei verschiedenen Abscheidebedingungen bestimmt. Es wurde gefunden, dass die Kalzinierung für 1 min bei relativ niedrigen Temperaturen kleiner 300 ˚C die Hydroxylgruppen in den abgeschiedenen Filmen deutlich reduziert. Die Nachteile der Kalzinierung bei hohen Temperaturen über 500 ˚C nach der Schichtabscheidung wurden ebenfalls untersucht. Optimierte Werte für das Molverhältnis der Reaktanden, der Substrattemperatur sowie der Kalzinierungstemperatur und -dauer wurden gefunden, um APCVD-SiO2-x-Schichten ohne mikroskopisch kleine Löcher und Risse zu erhalten, so dass sie für die verschiedenen PV-Anwendungen geeignet sind. Verschiedene kostengünstige Prozesse für die Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen unter Verwendung der APCVD SiO2-x-Schichten wurden entwickelt. So konnten nach einseitiger SiO2-x-Beschichtung und einer 1-minütigen Kalzinierung einkristalline Si-Wafer mit alkalischer Ätzlösung einseitig texturiert werden. Eine weitere Anwendung ist die Verwendung von APCVD SiO2-x als Maske für die lokale galvanische Abscheidung des Vorderseiten-Metallkontakts auf Solarzellen mit Heteroübergang. Dabei wurde eine Ag-Paste in Form eines linienförmigen Kontakts mittels Siebdruck auf das transparente leitfähige Oxid (transparent conducting oxide, TCO) der Solarzellen dünn aufgebracht und nach einer ganzflächigen APCVD SiO2-x-Beschichtung der Solarzell-Vorderseite mit Cu galvanisch verstärkt. In einer anderen Prozesssequenz wurde eine Polymerpaste in Form des späteren linienförmigen Metallkontakts mittels Siebdruck auf das Vorderseiten-TCO der Solarzellen aufgebracht und nach der ganzflächigen Beschichtung mit APCVD-SiO2-x mit Lösungsmittel wieder entfernt. In die entstandenen lokalen Öffnungen der SiO2-x-Maske erfolgte die lokale galvanische Metallabscheidung direkt auf dem TCO. In der letzten untersuchten Anwendung wurden APCVD-SiO2-x-Schichten als Schutz vor parasitärer galvanischer Metallabscheidung auf der Vorderseite von einkristallinen pn-Solarzellen sowie auf der Rückseite von multikristallinen bifazialen pn-Solarzellen untersucht.