Lidar

(Bild: Osram)

Zunehmend intelligenter und autonomer funktionierende Anwendungen mit sichtbarem und unsichtbarem Licht sorgen schon heute für mehr Sicherheit und Fahrkomfort. Optoelektronik, wie LED-, und Lasertechnik, spielt dabei eine wichtige Rolle und kommt in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Dazu gehören die Display-, Innen- und Außenbeleuchtung, aber auch Infrarotlicht und Laser-Sensoren für Sicherheits- und Fahrassistenzsysteme. Die Weiterentwicklung dieser Technologien ermöglicht immer neue Design-Optionen und hilft dabei, die Systemkosten zu senken. Funktionen wie adaptive Lichtsysteme oder laserbasierte Abstandsmesssysteme für (teil)autonomes Fahren werden damit für einen breiteren Markt zugängig.

In den letzten zwölf Monaten hat die Entwicklung im Bereich des autonomen Fahrens enorm an Fahrt aufgenommen. Traditionelle Automobilhersteller konkurrieren mit Silicon-Valley-Innovatoren im Wettlauf um das erste, vollständig selbstfahrende Auto. Grundlage für die Technologie, die selbstfahrende Fahrzeuge sowie die Fahrassistenz- und Fahrsicherheits-Systeme ermöglicht, sind häufig Kamerasysteme mit Infrarot-Beleuchtung und/oder laserbasierte Abstandsmesssysteme (Lidar).

Kameraanwendungen mit Infrarot

Lidar

Bild 1: Beim Driver Monitoring beobachtet eine Kamera das Gesicht und die Blickrichtung des Fahrers. Das System erkennt so, wann der Fahrer müde wird, und warnt ihn rechtzeitig. Osram

Ein Beispiel für Assistenzsysteme, die Infrarotlicht in Kameraanwendungen nutzen, ist das sogenannte Driver Monitoring (Bild 1). Dabei beobachtet eine Kamera das Gesicht und die Blickrichtung des Fahrers. Das System erkennt so beispielsweise, wann der Fahrer müde wird und warnt ihn rechtzeitig, bevor er einschläft. Es kann außerdem die Aufmerksamkeit des Fahrers auf den Verkehr zurücklenken, wenn der gerade nicht auf die Straße schaut, sondern sich zum Beispiel mit dem Navi beschäftigt. Auch im Hinblick auf zukünftige, autonome und halbautonome Fahrzeuge sind solche Funktionen besonders wichtig, denn das Auto muss in bestimmten Fahrsituationen den Fahrer alarmieren oder ihm das Kommando übergeben können.

High-End-Driver-Monitoring-Systeme verfügen über eine integrierte Eye-Tracking-Funktion, um die Blickrichtung des Fahrers zu erfassen. Da das Kamerasystem ohnehin das Gesicht des Fahrers aufnimmt, ließe sich auch eine zusätzliche Iris-Erkennung realisieren. Das Auto könnte den Fahrer dann sogar zuverlässig identifizieren. Neben dem Sicherheitsaspekt trägt diese Personalisierung auch zum Komfort bei, denn das Fahrzeug könnte somit etwa Sitze und Spiegel automatisch auf den jeweiligen Fahrer einstellen.

Die Grundlage für solche Kameraanwendungen bilden Infrarot-Lichtquellen (IRED) mit leistungsstarken Emittern, wie die Oslon-Produktserie von Osram Opto Semiconductors mit bis zu 2 W optischer DC-Leistung. Die hohe Leistung und Effizienz haben den Vorteil, dass die Kunden für ihre Beleuchtungslösungen vergleichsweise wenig Bauteile benötigen. Die neueste Generation der Oslon-Infrarot-Emitter besitzt eine gesteigerte optische Leistung und ist zudem für hohe Pulsströme bis zu 5 A optimiert.

Beleuchtungssysteme für den Exterior-Bereich, wie Nachtsichtassistenz-Systeme, setzen normalerweise auf IRED mit 850 nm Wellenlänge. Die Empfindlichkeit einer CMOS-Kamera reicht bei dieser Wellenlänge aus, um Reichweiten von bis zu 200 m zu erzielen. Eine 850-nm-Lichtquelle zeigt jedoch noch ein schwaches rotes Glimmen, was toleriert werden kann, wenn die IRED in die Scheinwerfer integriert ist, sodass deren helles weißes Licht diesen Roteindruck überstrahlt.

Bei Anwendungen im Autoinnenraum, wie dem Driver Monitoring, gilt es, diesen roten Schein zu vermeiden, denn der Fahrer würde sonst im Dunkeln rote Lichtpunkte sehen. Deshalb setzt man hier auf 940-nm-IRED. Weil in diesem Wellenlängenbereich die Empfindlichkeit der Kamerasensoren nochmals deutlich reduziert ist, benötigt man typische, optische Leistungen von 2 W bis 4 W. Ein zweiter Grund, warum trotz der vergleichsweise geringen Entfernungen sehr viel optische Leistung nötig ist, betrifft das Sicherstellen eines guten Signal/Rausch-Verhältnisses unter allen Umgebungs-Lichtbedingungen. Als Rauschen bezeichnet man dabei das Umgebungslicht. Ein Extremfall ist beispielsweise die Abendsonne, die einen hohen Infrarot-Anteil aufweist und in schrägem Winkel direkt auf das Gesicht des Fahrers leuchten kann.

 

Auf der nächsten Seite ist unter anderem das Zukunftsfeld Lidar-Systeme Thema.

Zukunftsfeld Lidar-Systeme

Die jüngste Fahrzeugtechnologie mit unsichtbarem Licht heißt Lidar (Light Detection and Ranging). Sie gilt derzeit als wichtigstes Zukunftsfeld und ist ein wesentlicher Bestandteil fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme für vollständig oder teilweise autonom fahrende Autos. Lidar-Systeme generieren Laserimpulse, die auf Objekte treffen und das Licht an einen Detektor zurückreflektieren, sodass sich die Entfernung zum Objekt durch Messung der Lichtlaufzeit bestimmen lässt.

Dabei unterscheidet man zwei Arten von Lidar-Sensoren: Flash-Lidar und Scanning-Lidar. Beim Flash-Lidar sendet ein Laser einen kurzen Laserpuls aus, der das gesamte Blickfeld beleuchtet. Ein Sensorarray registriert das reflektierte Licht und ermittelt so die Richtung eines detektierten Objektes. Durch die Laufzeit des Lichts für den Weg Lichtquelle – Objekt – Sensor lässt sich der Abstand zum Objekt ermitteln. Flash-Lidar hat einen breiten Sichtwinkel und ist technisch relativ einfach zu realisieren. Dafür gibt es Abstriche bei der Auflösung. Man kann aus den Messungen daher keine Objekte identifizieren.

Ein Flash-Lidar hat einen breiten Sichtkegel, aber nur eine relativ geringe Reichweite von meist weniger als 50 m. Ein mögliches Einsatzgebiet für diese Technologie sind sogenannte Pre-Crash-Sensoren oder Notbremsassistenten, die beispielsweise im Stadtgebiet Kollisionen verhindern sollen. Solche Systeme sind bereits seit einigen Jahren im Serieneinsatz. Flash-Lidar eignet sich künftig vor allem für seitliche Sensoren zur  Erfassung des Querverkehrs und Ausleuchtung des toten Winkels.

Lidar

Bild 2: Scanning-Lidar-Systeme liefern „punktwolkenartige“ 3D-Bilder, mit denen sich unter anderem Wildtiere sehr gut identifizieren lassen. Osram

Beim Scanning-Lidar wird mit einem Laserstrahl in kleinen Winkel-Schritten die Umgebung des Fahrzeugs rasterförmig erfasst und geprüft. Ein einzelner Sensor oder ein Sensorarray nimmt die reflektierten Lichtsignale auf. Vorteile dieser Technologie sind eine sehr hohe Winkelauflösung von zirka 1/10 Grad sowie die hohe Reichweite. Scanning-Lidar-Systeme liefern sehr gut aufgelöste, „punktwolkenartige“ 3D-Bilder, aus denen man die Form verschiedener Objekte auslesen und so beispielsweise Autos, Fußgänger, Fahrradfahrer oder Wild identifizieren kann (Bild 2). Scanning-Lidar-Systeme eignen sich vor allem zur Ausleuchtung vor dem Fahrzeug sowie zum Scan für den Bereich hinter dem Kfz.

Der Nachteil von Scanning-Lidar-Systemen ist bisher, dass der Laserstrahl in vielen Fällen mechanisch mit einem Spiegel umgelenkt wird. Das macht die Systeme groß, teuer und anfällig. Eine neue und bessere Methode ist, den Laser mit einem Spiegel auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems, kurz MEMS, umzulenken. Dadurch wird die gesamte Scanning-Lidar-Lösung kompakter und günstiger. Solche Systeme werden zurzeit getestet und sollten in naher Zukunft soweit ausgereift sein, dass sie die strengen Anforderungen der Automobilindustrie an Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllen.

Rasante Entwicklungsfortschritte

Laser von Osram sind seit mehr als zehn Jahren in Lidar-Systemen für Fahrzeuge im Einsatz. Die erste Anwendung war eine einfache Abstandsmessung für intelligente Tempomaten. Seitdem gab es eine Reihe großer Fortschritte. Eine Herausforderung für Lidar ist, dass man einen extrem kurzen Lichtpuls mit hoher optischer Leistung benötigt (75 W für < 10 ns). Technisch bedeutet dies, dass der Laser mit einem extrem kurzen, sehr hohen Strompuls betrieben werden muss. Dies in Fahrzeugen zu realisieren, ist technisch nicht einfach. Deshalb gibt es von Osram beispielsweise Laser mit integriertem Treiber, die zum Betrieb nur eine konstante Ladespannung von typischerweise 20 V sowie einen Trigger zum Auslösen des Pulses brauchen.

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Bild 3: Für Scanning-Lidar wird ein Vier-Kanal-Pulslaser mit integriertem Treiber entwickelt. Osram

Für Scanning-Lidar wird zurzeit ein Vier-Kanal-Pulslaser mit integriertem Treiber entwickelt (Bild 3). Er zeichnet sich durch eine sehr kurze Pulslänge sowie vier parallele Ausgangskanäle aus und bietet so völlig neue Möglichkeiten zur Detektion von Objekten. Bisher einzigartig sind die vier parallelen Strahlen, die der Laser an seiner Kante emittiert. Dazu werden vier Laserdioden nebeneinander produziert, sodass sie präzise zueinander ausgerichtet und einzeln ansteuerbar sind. Im Prinzip ist es ein Barren, der aus vier Laserdioden besteht, die aber nicht vereinzelt werden. Heute montieren Lidar-Systementwickler mehrere einzelne Laserdioden übereinander, um ein größeres vertikales Blickfeld zu realisieren. Mit dem Barren müssen sie die einzelnen Lichtquellen nicht mehr aufwendig zueinander justieren.

Die sehr kurze Pulslänge von etwa 5 ns ist eine Voraussetzung für Scanning-Lidar mit guter Auflösung und Reichweite. Bisher lagen die Schaltzeiten beziehungsweise die Pulsdauer der verwendeten Laserdioden im Bereich von 10 ns bis 30 ns. Der neue Laser bringt pro Kanal 75 W optische Peak Power. Die kurze Pulslänge und der geringe Duty Cycle von 0,1 Prozent garantieren, dass selbst bei derart hohen, optischen Leistungen die Vorgaben für die Augensicherheit erfüllt sind.

Der Laser beruht auf den Nanostack-Laserdioden von Osram mit 905 nm Wellenlänge, die pro Emitter jeweils drei Emissionszentren aufweisen. Ihre optische Leistung konnte zuletzt auf 75 W Peak Power bei 30 A Strom gesteigert werden. Der 4-Kanal-Laser emittiert damit vier mal 75 W. Montiert ist er zusammen mit einem Kondensator und der Ansteuerschaltung auf einer 8 mm mal 5 mm großen Leiterplatte. Die vier Laserkanäle werden nacheinander aktiviert, um Überhitzung zu vermeiden. Das Modul ist oberflächenmontierbar und vereinfacht damit die Montage erheblich gegenüber den heute üblichen Bauteilen in Durchsteck-Technik, was auch die Kosten senkt. Mit 24 V Betriebsspannung bedient der Laser außerdem die Anforderungen für den Einsatz im Automobil.

Wie bereits erwähnt, entwickeln Hersteller derzeit MEMS-basierte Lösungen, die den Laserstrahl nicht mehr mechanisch umlenken, sondern über einen mikroelektromechanisch gesteuerten Spiegel leiten. Innoluce etwa hat einen MEMS-Spiegel entwickelt, der mit 2,7 mm x 2,3 mm groß genug ist, um die vier parallelen Strahlen des Osram-Lasers mit hoher Präzision und Zuverlässigkeit umzulenken. Bei Tageslicht beträgt die Reichweite für das Erkennen von Fahrzeugen mindestens 200 m und 70 m für Fußgänger.

Um größtmögliche Zuverlässigkeit, Sicherheit und Redundanz zu gewährleisten, wird das vollautonome Fahrzeug der Zukunft sämtliche Techniken kombinieren – darunter Scanning- und Flash-Lidar sowie kamerabasierte Systeme, Radarsensoren und verbesserte Sensorik-Systeme, die eine genauere Bildverarbeitung im Umfeld des Fahrzeugs ermöglichen und die es einfacher und kostengünstiger für die Automobilhersteller machen, diese Systeme zu installieren.

Eck-DATEN

Ein wichtiger Baustein für autonomes und teilautonomes Fahren sind Scanning-Lidar-Systeme, aber die Einheiten müssen noch kleiner, robuster und günstiger werden. Laser sind hierfür eine wichtige Stellschraube, und zwar nicht nur hinsichtlich der optischen Leistung, sondern auch, weil innovative Laser neuartige Sensordesigns ermöglichen. Bei Kameraanwendungen mit Infrarot-Lichtquellen wiederum wächst etwa die Leistungsfähigkeit von Driver-Monitoring-Systemen durch den Einsatz optimierter Infrarot-Lichtquellen (IRED).

Walter Rothmund

(Bild: Osram)
Experte für Infrarot und Laser Automotive bei Osram Opto Semiconductors

(ku)

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