Nahtlose Integration von LiDAR-Sensoren mit Wideye-Autoglas

LiDAR-Sensoren (Light Detection and Ranging) bieten eine präzise 3D-Umgebungserfassung für die Distanzmessung, was für die Sicherheit und Zuverlässigkeit autonomer Fahrzeuge sowie fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme entscheidend ist.

Die Technologie ist auf dem besten Weg, zum Industriestandard in der Automobilbranche zu werden. So prognostiziert das Marktforschungsinstitut IDTechEx, dass der globale Markt für LiDAR-Systeme in der Automobilindustrie bis 2034 ein Volumen von 9,5 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einer jährlichen Wachstumsrate von 19,5 Prozent im Vergleich zu 2024 entspricht.

In Fahrzeugen wird die LiDAR-Technologie für folgende Hauptzwecke eingesetzt:

1. Umgebungserkennung: LiDAR erstellt eine präzise 3D-Karte der Umgebung des Fahrzeugs.
2. Hinderniserkennung: LiDAR kann Objekte, Fußgänger und andere Fahrzeuge genau erkennen und deren Entfernung messen.
3. Autonomes Fahren: LiDAR ist ein Schlüsselelement für selbstfahrende Autos, da es eine genaue Wahrnehmung der Umgebung ermöglicht.
4. Unterstützung bei Fahrerassistenzsystemen: LiDAR verbessert Funktionen wie adaptive Geschwindigkeitsregelung und Notbremsassistenten.
5. Navigation: In Kombination mit GPS können LiDAR-Daten für präzise Navigationssysteme genutzt werden.

Beim LiDAR-Verfahren werden die Charakteristiken eines zurückgeworfenen Lichtstrahls zum Sender analysiert. Die Systeme nutzen hierfür Infrarotstrahlen, die durch standardmäßiges Autoglas nicht effizient durchdringen können, da sie teilweise vom Glas absorbiert oder reflektiert werden. Diese Signalreduzierung beeinträchtigt die optimale LiDAR-Funktion.

Eine der großen Herausforderungen für die Entwicklung von Autoglas ist daher die nahtlose Integration von LiDAR-Einheiten und Kameras in die Fahrzeuge. Das Glas darf die Leistung des Sensors nicht beeinträchtigen und muss darüber hinaus eine hohe optische Qualität aufweisen, um die Genauigkeit der LiDAR-Messungen nicht zu beeinflussen. Darüber hinaus muss es die empfindlichen LiDAR-Komponenten vor Witterungseinflüssen, Schmutz und Beschädigungen schützen und deren optimalen Betrieb gewährleisten. Last, but not least darf die Sensorintegration weder die Funktionalität noch das Design der Fahrzeuge selbst beeinträchtigen.

Seit 2016 widmet sich Wideye by AGC, ein agiles Start-up unter dem Dach von AGC Automotive Europe, der Entwicklung von Glaslösungen für die 360-Grad-Sensorintegration, die sicherstellen, dass jede Art von optischem Sensor überall im Fahrzeug eingesetzt werden kann. Als Basis für die Produkte dient ein Hochleistungsglas mit hoher optischer Qualität, das für Nahinfrarotlicht in allen wichtigen Wellenlängen optisch durchlässig ist, um die LiDAR-Erkennungseffizienz zu verbessern und damit einen möglichst breiten Einsatzbereich für unterschiedliche LiDAR-Sensoren sicherzustellen. Auf Kundenwunsch können zusätzliche Funktionsbeschichtungen auf die Glasoberfläche aufgetragen werden, um die Leistung weiter zu steigern, beispielsweise durch Minimierung unerwünschter Spiegelungen.

Eine der größten technologischen Herausforderungen bestand für das Wideye Entwicklerteam darin, die regulatorischen Anforderungen an die Lichtdurchlässigkeit von Autoglas mit den spezifischen Anforderungen der LiDAR-Technologien in Einklang zu bringen. Das Glas darf die LiDAR-Wellenlängen nicht absorbieren oder reflektieren, denn dies könnte wiederum die Lichtdurchlässigkeit für diese spezifischen Wellenlängen beeinträchtigen.

Aufgrund seiner speziell entwickelten, chemischen Zusammensetzung und Struktur verfügt das Wideye Autoglas über optimierte physikalischen Eigenschaften. Es minimiert so weit wie möglich die Absorption von Infrarotstrahlung und liefert damit unabhängig von der Dicke des Trägermaterials eine maximale Transmission. In der Tabelle 1 sind typische Infrarot-Transmissionswerte für verschiedene gängige Materialien (Referenzdicke: 4 mm) zusammengestellt. Sie zeigt, dass Wideye Glas einen Transmissionswert liefert, der den höchsten Standards entspricht und die Normen der Automobilindustrie erfüllt.

Zum anderen zeichnet sich das Wideye-Glas durch einen geringen Haze-Wert aus. Neben dem zuvor erläuterten Transmissionsfaktor spielt das Streuungsverhalten eine zentrale Rolle für die Durchsichtigkeit eines Werkstoffs. Bei der Lichtdurchdringung eines Materials kann eine partielle Streuung auftreten. Dadurch kann die Leistung eines optischen Sensors, dessen Lichtstrahl das Material passieren muss, reduziert sein. Diese Erscheinung wird allgemein als Haze bezeichnet. Die Haze-Messung erfolgt gemäß der Norm ASTM D1003 Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics, die sie als prozentuales Verhältnis zwischen der diffusen Transmission 𝑇𝑑 und der Gesamttransmission 𝑇𝑡 der Probe definiert.

Tabelle 2 zeigt typische Trübungswerte für verschiedene gängige Materialien (Referenzdicke: 4 mm). Auch hier erfüllt Wideye-Glas die höchsten Standards.

Auf der Grundlage dieser theoretischen Parameter wurden eine Reihe an Studien im Labor und auf der Straße durchgeführt. Dabei wurden LiDAR-Sensoren der neuen Generation in Verbindung mit den verschiedenen, oben beschriebenen Materialien verwendet. Bei diesen Versuchen zeigte sich, dass Wideye-Glas im Vergleich zu anderen Materialien - wie optischem Glas, Polycarbonat und normalem Floatglas - einen überlegenen Erfassungsbereich (ähnlich im Vergleich zu optischem Glas), eine gleichwertige Präzision (für alle verglichenen Materialien), eine verbesserte Genauigkeit (für alle verglichenen Materialien) sowie hervorragende Haze-Werte aufweist.

Schlussendlich wurden die Labormessungen während realer Fahrszenarien validiert. Auch hier liegt das Wideye-Glas in Bezug auf den Erfassungsbereich leicht unter optischem Glas, während es alternative Lösungen auf der Basis von Polycarbonat und Standard-Autoglas deutlich übertrifft.

Fazit

Die Auswahl des optimalen Materials für den Schutz von LiDAR-Systemen in Fahrzeugen stellt eine komplexe Herausforderung dar, da verschiedene Faktoren berücksichtigt werden müssen. Die ideale Lösung muss nicht nur die empfindlichen optischen Sensoren effektiv schützen, sondern auch deren einwandfreie Funktion sicherstellen. Um die richtige Entscheidung zu treffen, ist ein fundiertes Verständnis der technischen Anforderungen und möglichen Kompromisse notwendig, die je nach Einsatzgebiet und Anwendungsfall variieren können.

Wideye-Glas vereint die hervorragenden Eigenschaften von optischem Glas mit den strengen Anforderungen der Automobilindustrie und eignet sich dadurch für moderne und zukünftige Mobilitätsanwendungen. Seine spezielle Zusammensetzung stellt die geforderten, optischen Eigenschaften bei vollständiger Erfüllung aller relevanten Automobilstandards sicher. (na)