Solid-State Lidar erstmals flexibel in Autos integrieren

Je umfassender und zuverlässiger ein autonomes Fahrzeug die Umwelt erfassen soll, desto wichtiger ist die optimale Zusammensetzung der Sensoren. Fast alle Automobilhersteller sehen Lidar als Voraussetzung für eine umfassende und zuverlässige Echtzeit-Wahrnehmung der Umgebung beim Fahren im Level-3-Modus und höher. Indes haben die Kosten und die schwierige Integration ins Fahrzeug einer breiten Einführung bisher im Wege gestanden. Selbst der Einsatz von MEMS-Spiegeln (Micro-Electro-Mechanical Systems) konnte die Anfälligkeit für Umwelteinflüsse nicht überwinden.

Erst der letzte Schritt, ein Lidar ohne bewegliche Teile, ebnet den Weg für eine kommerzielle Anwendung. Und hier kommt die halbleiterbasierende Lösung von Opsys ins Spiel: Die Weiterentwicklung zum Solid State Scanning Lidar ermöglicht es erstmals, dieses Halbleiter-Lidar nicht nur für den Nahbereich, sondern auch für den Fernbereich einzusetzen. Damit entfallen viele Einschränkungen bei der Integration von Lidar und die Herstellung im Wafer-Scale-Verfahren erhöht die kommerzielle Attraktivität erheblich.

Das Design des Opsys Scanning Lidar ähnelt einer Kamerastruktur und funktioniert im Wesentlichen wie eine 3D-Kamera als Halbleiterbauelement. Dieser Entwicklungsansatz ermöglicht es, ein kleines und leistungsfähiges Scanning Lidar mit gutem Preis-/Leistungsverhältnis auf den Markt zu bringen.

Das System besteht aus einem zentralen Lichtdetektor mit zwei Strahlern auf beiden Seiten und sieht bis zu 300 Meter weit. Ausgestattet mit halbleiterbasierenden VCSEL- (vertical cavity surface-emitting laser) und SPAD-Chips (single photon avalanche diode) kann dieses Lidar ein Sichtfeld ohne bewegliche Teile scannen und mithilfe von Laserpunkten die Position und Entfernung von Objekten bestimmen.

Die einzelnen Strahlen des VCSEL-Arrays auf beiden Seiten werden von den ihnen zugeordneten Rezeptorpixeln der SPAD empfangen. Selbst im Vergleich zu Microflash-Systemen verspricht das voll scannende Lidar-Konzept von Opsys eine Leistungssteigerung: Schnelles Scannen ohne sogenannnte Crosstalk-Effekte bei einem Erfassungsbereich von 200 m für ein Ziel mit zehn Prozent Reflektivität und einem POD von >90 Prozent (probability of detection, Erkennungswahrscheinlichkeit).

Jeder Sender tastet das gesamte Sichtfeld mit 1.000 Bildern pro Sekunde ab. Das sind mehr Daten, als ein Mensch verarbeiten kann. Daher berechnet das System aus den gesammelten Daten durchschnittlich 30 Bilder pro Sekunde und eliminiert dabei Fehler durch Reflexionen oder Sonnenlicht. Darüber hinaus arbeitet das Lidar im 900-nm-Fenster, das eine vernachlässigbare Wasserabsorption aufweist. Das macht es unempfindlich gegenüber Regen, Nebel, Schnee und anderen schlechten Sichtbedingungen. Aus diesen Gründen schneidet dieses Lidar bei schlechten Sichtverhältnissen besser ab als andere.

Darüber hinaus ist es gelungen, die Empfindlichkeit der Avalanche-Dioden und die Abtastrate des Systems zu erhöhen. Das führt zu einer deutlich besseren Signalqualität und -integrität, die sich in Form von besserer Alarmierung, größerer Reichweite und besserer Objektidentifizierung äußert.

Über den Sensor hinaus eröffnen die gesammelten Daten auch neue Anwendungsfelder. Da der Solid-State-Scanning-Sensor die Rohdaten nicht wie andere Sensoren erst interpretieren muss, bevor er sie auswertet, verfügt das System über Originaldaten, die für andere Aufgaben genutzt werden können.

Die Technologie von Opsys ermöglicht die Zusammenführung mehrerer Basissensoren zu einem einzigen Lidar-System und liefert eine integrierte Punktwolke mit einem flexiblen Sichtfeld (field of view, FOV). Diese Fähigkeit erlaubt den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen für verschiedene Fahrzeugtypen. Dabei ermöglicht die patentierte Multi-Wellenlängen-Technologie von Opsys die störungsfreie Installation mehrerer Sensoren. Das maximiert die Scan-Rate und eliminiert Totzonen im gesamten Sichtfeld. Die Integration aller Basissensoren erfolgt über eine Lidar-Steuereinheit (LCU), die eine einzige 4D-Punktwolke liefert.

Das Lidar hat einen geringen Stromverbrauch und funktioniert über den gesamten Temperaturbereich ohne externe Heizung oder Kühlung. Darüber hinaus sind die einzelnen Sensoreinheiten so klein, dass zwei davon auf eine Kreditkarte passen. Das erweitert die Einbaumöglichkeiten ungemein, denn Autodesigner können die Sensoren flexibel in das Fahrzeugs einarbeiten; kein Buckel oder Kreisel erhöht den Luftwiderstand oder stört die Linie des Fahrzeugs. Es lässt sich auch hinter der Windschutzscheibe oder in die Scheinwerfer integrieren, ohne dass Reflexionen die Leistung des Lidar beeinträchtigen. Denn der Halbleiter kann selbst Unebenheiten im Glas durch Kalibrierung ausgleichen.

Mit dieser Funktion haben die Ingenieure dem Lidar als wahrscheinlich erstem Sensor überhaupt die Fähigkeit gegeben, dem Phänomen des sogenannten Alterungsprozesses entgegenzuwirken. In Kombination mit der Robustheit eines nichtmechanischen Bauteils ist es so gelungen, die Lebensdauer des Sensors deutlich zu erhöhen.

Einer der Hauptvorteile des Systems ist außerdem, dass es auf dem Lego-Baukasten-Prinzip basiert. So lässt sich das verteilte Sensorsystem an das Fahrzeugdesign anpassen beziehungsweise nach Kundenanforderung ausgestalten.

Da das Festkörper-Lidar eigentlich ein Halbleiterbauelement ist, also keine beweglichen Teile hat, und mit Blick auf eine automatisierte Großserienproduktion entwickelt wurde, werden alle Komponenten (elektrische und aktive optische) in vollautomatischen Prozessen zusammengebaut. Dies ist ein Verfahren, das aus der Waferproduktion bekannt ist. Selbst die endgültige Ausrichtung erfolgt in einem automatisierten Prozess und erfordert keine Bewegung der physischen Komponenten; alles basiert auf Software. Daher entfallen 90 Prozent der Herstellungskosten des Opsys-Lidar auf Material und nur etwa zehnProzent auf Arbeitskräfte –  eine optimale Kostenentwicklung im Verhältnis zum Volumen.

Lidar ist der einzige echte 3D-Sensor, der 3D-Messungen (einschließlich 4D) und die Erfassung des gesamten Sichtfelds mit der Auflösung und Aktualisierungsrate ermöglicht, die für ADAS-Systeme auf jeder Ebene erforderlich sind. Deshalb wird Lidar für alle künftigen autonomen Systeme benötigt. Denn eine Kamera ist per Definition ein 2D-Gerät, und alle 3D-Daten müssen durch Interpolation aus mehreren Kamerasensoren abgeleitet werden. In einem funktionssicheren System kommt Lidar als Haupt-3D- oder 4D-Sensor zum Einsatz, während einige zusätzliche Kameras zur Unterstützung der Objektidentifizierung integriert werden.