Aus autonomen Fahrzeugen, Systemen für die automatische Kollisionsverhinderung und Spurwechselassistenten sind Lidar-Scanner (Light Detection and Ranging) nicht wegzudenken. Solche Systeme müssen die Umgebung schnell und zuverlässig erfassen. Zu diesem Zweck erstellen sie hochauflösende dreidimensionale Aufnahmen, sogenannte Punktwolken, Bilder von der Straße und der näheren Umgebung. Ein Lidar-System in einem selbstfahrenden Auto muss eine Fahrstrecke über beispielsweise frontal eine Distanz von mindestens 150 Metern „ausleuchten“ und dabei auch kleine Objekte von 10 cm Höhe erkennen.

Eckdaten

Das Herzstück von Lidar-Scannern für den Automotivebereich sind leistungsfähige Sensoren, die auch bei schwierigen Lichtverhältnissen reibungslos funktionieren. Entwickler haben allerdings die Wahl zwischen mehreren Sensor-Technologien: Silizium-PIN-Dioden, SiPM- und SPAD-Sensoren, Detektoren auf Basis von Indiumgalliumarsenid sowie Avalanche-Photodioden. Der Beitrag zeigt die Stärken und Schwächen dieser Technologien auf und gibt Tipps, wie OEMs den passenden Hersteller solcher Sensoren finden können.

Das erfordert Sensorsysteme mit einer hohen Funktionssicherheit, die für anspruchsvolle Umweltbedingungen ausgelegt sind. Ein Lidar-Sensor sollte beispielsweise im Temperaturbereich zwischen -40 und 125 °C reibungslos funktionieren. Das ist wegen der Außentemperaturen und der Wärmeentwicklung anderer Systemkomponenten notwendig.

Technische und wirtschaftliche Faktoren

Hinzu kommen weitere Anforderungen, etwa ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis. Damit kann ein Sensor auch dann Signale erfassen, wenn ein störender Hintergrund vorhanden ist. Wichtig ist zudem ein großer Dynamikbereich, um wechselnde Lichtverhältnisse zu kompensieren. Bei Fahrzeugen mit Lidar-Systemen großer Reichweite tastet ein Laserstrahl die Umgebung schrittweise ab. Die Entfernung liegt zwischen 30 und 300 m. Zum Einsatz kommen vorzugsweise Laser, die bei einer Wellenlänge von 905 nm arbeiten, also für Menschen unsichtbares Licht aussenden. Sie nutzen hohe optische Leistungen von beispielsweise 75 W oder eine hohe Anzahl von Einzel-Emittern, um kurze Impulse von 1 bis 5 ns Dauer auszusenden.

Neben technischen Vorgaben spielen bei Lidar-Systemen auch ökonomische Faktoren eine Rolle. So müssen die Komponenten in Fahrzeugen etwa eine hohe Kosteneffizienz aufweisen. Letztlich greifen Fahrzeughersteller lieber zu einem System mit einem guten Preis-Leistungsverhältnis als zu einem, das über die beste Technologie verfügt.

Detektoren auf Basis von Silizium-PIN-Dioden

Entwickler von Lidar-Systemen können auf mehrere Sensor-Technologien zurückgreifen. Eine Option sind Silizium-PIN-Dioden. Sie kombinieren jeweils eine Diode mit dotierten P-und N-Anschlüssen sowie eine schwach dotierte intrinsische Zone. Solche Dioden haben einen großen Dynamikbereich und können starke Schwankungen der Lichtintensität kompensieren. Ein Detektor erkennt beispielsweise die Reflexionen eines entfernten Objekts auch dann, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird. Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Preis.

Zu den Nachteilen solcher Sensoren zählt allerdings, dass sie nicht die Bandbreite und den Signal-Rausch-Abstand bereitstellen, den die meisten Lidar-Systeme im Automobilbereich benötigen. Zudem sind sie nicht sonderlich schnell und weisen eine niedrige Empfindlichkeit auf. Dennoch findet diese Art von Sensoren in Lidar-Systemen mit kurzen Reichweiten seit vielen Jahren Verwendung, beispielsweise für den Stadtverkehr.

SiPM- und SPAD-Detektoren

Ein Lidar-Scanner kann Objekte vor einem Fahrzeug erkennen, aber auch solche, die sich seitlich oder hinter dem Auto befinden.

Ein Lidar-Scanner kann Objekte vor einem Fahrzeug erkennen, aber auch solche, die sich seitlich oder hinter dem Auto befinden. First Sensor

Eine Alternative sind SiPM-Sensoren (Silizium Photomultiplier) und SPAD-Dioden (Single-Photon Avalanche Diode). Sie wurden für Anwendungen entwickelt, bei denen kleine Lichtmengen bis hin zu Einzelphotonen erfasst werden müssen. Neuerdings kommen solche Sensoren auch in Lidar-Systemen zum Einsatz. Sie arbeiten auf ähnliche Weise wie APD (Avalanche-Photodioden). Dank der sehr hohen internen Verstärkung sind sie in der Lage, Licht mit geringer Intensität zu messen. Weitere Eigenschaften sind die kurzen Reaktionszeiten und die Kompatibilität zu Standard-CMOS-Verfahren. Dadurch lassen sich die Sensoren mit weiteren Elektronikkomponenten auf einem Chip platzieren.

Im Vergleich zu einem APD-Sensor wandeln SiPM- und SPAD-Dioden jedoch CMOS-typisch nur einen sehr geringeren Anteil des eingestrahlten Infrarotlichts in elektrisches Signal um. Typischerweise liegt die „photon detection efficiency“ (PDE) zwischen 2 und 10 Prozent. Auch sind die einzelnen Dioden durch das Funktionsprinzip in der Größe auf typisch 10 bis 40 µm beschränkt. Daher sind sie auf einen hohen Multiplikationsfaktor angewiesen, der wiederum das Rauschen erhöht. Das geht zu Lasten des Signal-Rausch-Verhältnisses. Außerdem kann eine erhöhte Rate an Selbstauslösungen (dark count rate) den Betrieb bei hohen Temperaturen stark einschränken.

Probleme mit der Sättigung

Der größte Nachteil von SiPM- und SPAD-Sensoren ist jedoch, dass in lichtintensiven Situationen die hohen Verstärkungswerte zu einer Sättigung der Sensoren führen. Lichtintensive Situationen entstehen durch Reflektion an nahen Objekten, aber auch bei starker Sonneneinstrahlung oder wenn das Fernlicht anderer Fahrzeuge auf den Sensor trifft. Die Möglichkeit eine Übersättigung durch den Einsatz optischer Filter zu verhindern sind durch die relativ großen Wellenlängenbereiche der Laser im genannten Temperaturbereich begrenzt, sodass das Problem nur mit hohem statistischen Aufwand und hunderten von Einzelmessungen kompensiert werden kann. Dies macht den Einsatz in vielen scannenden Lidar-Architekturen mit breiten Sichtfeldern schwierig. Deshalb kommen SiPM- und SPAD-Sensoren derzeit eher für Flash-Lidar-Systeme in Betracht, die über eine große Reichweite verfügen müssen.

Sensoren aus Indiumgalliumarsenid

Vier Technologien von Detektoren für Lidar-Scanner im Vergleich.

Vier Technologien von Detektoren für Lidar-Scanner im Vergleich First Sensor

Photodioden, die Indiumgalliumarsenid (InGaAs) statt Silizium verwenden, kommen häufig bei Glasfaserkommunikation zum Einsatz. In Lidar-Systemen sind sie noch nicht allzu oft anzutreffen, außer in Anwendungen in Flugzeugen und Satelliten sowie im militärischen Bereich. Lidar-Laserscanner mit InGaAs-Photodioden arbeiten nicht im 905-nm-Spektrum, sondern im Wellenlängenbereich von 1300 bis 1600 nm. In diesem Spektralbereich bündelt das Auge das Licht nicht auf der Netzhaut, sodass auch deutlich leistungsstärkere Laser als bei 905 nm augensicher sind. Somit können Lidar-Systeme mit InGaAs-Sensoren in Fahrzeugen eine größere Reichweite aufweisen. Hinzu kommt, dass in diesem Spektralbereich schmalbandige und wellenlängenverstimmbare Laserdioden aus der Telekommunikationstechnologie verfügbar sind, die ähnlich wie Radar-Emitter betrieben werden können und sogenannte FMCW-Lidar-Architekturen ermöglichen.

In der Praxis gibt es jedoch Einschränkungen. So reagieren InGaAs-Sensoren physikalisch bedingt deutlich stärker als Silizumsensoren auf eine hohe Umgebungstemperatur. Daher benötigen InGaAs-Sensoren selbst in gemäßigten Klimazonen eine aktive Temperaturstabilisierung. Ein weiterer Punkt sind die Herstellungskosten von großflächigen Sensoren, die viele Lidar-Architekturen benötigen: Sie sind bei InGaAs-Versionen wegen des schwierigeren Produktionsverfahrens deutlich höher als bei Versionen aus Silizium. Aufgrund der technischen Herausforderungen und der fehlenden Verfügbarkeit von preiswerten und hochvolumigen passenden Sensoren sind Lidar-Systeme auf Basis von InGaAs-Detektoren für Automotive-Anwendungen bislang selten anzutreffen. OEMs müssten daher viel Zeit und Geld aufwenden, um solche Lidar-Systeme zu entwickeln.

Was Sie bei der Suche eines passenden Sensor-Lieferanten beachten sollten, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Avalanche-Photodioden (APD)

Sensoren für Lidar-Systeme, die im Automotive-Sektor eingesetzt werden, werden umfangreichen Tests unterzogen. Die Spezifikation AEC-Q100 erfordert Prüfläufe bei Temperaturen zwischen -40°C und +150°C.

Sensoren für Lidar-Systeme im Automotivesektor werden umfangreichen Tests unterzogen. Die Spezifikation AEC-Q100 erfordert Prüfläufe bei Temperaturen zwischen -40 und 150 °C. First Sensor

Ursprünglich wurden Avalanche-Photodioden auf Silizium-Basis für industrielle und militärische Anwendungen optimiert. Eine APD wandelt mindestens 80 Prozent des Lichts im Bereich 905 nm in photoelektrischen Strom um. Wie bei PIN-Dioden generieren Photonen bei APD Elektron-Lochpaare, die mithilfe der angelegten äußeren Spannung so beschleunigt werden, dass aufgrund von Stoßionisation weitere Elektronen zu den Signalelektronen hinzukommen und den elektrischen Puls typischerweise um einen Faktor Hundert oder mehr verstärken. Das Ergebnis ist eine höhere Empfindlichkeit und damit weisen APDs ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis auf. Des Weiteren verfügen APDs über einen sehr großen Dynamikbereich und eine minimale Sättigung, was die Verwendung in allen Beleuchtungssituationen in der Applikation erlaubt. Durch die hohe Geschwindigkeit – bei 905 nm werden Bandbreiten von bis zu 400 MHz erreicht – können die Nanosekundenpulse der Laser aufgelöst werden. Außerdem zählen sie zu den preisgünstigsten und reifsten Sensortechnologien auf dem Markt.

Potenzielle Nachteile

Allerdings sind auch bei APDs einige kritische Punkte zu beachten. Einer ist die bipolare Fertigungstechnologie. Sie ist nicht kompatibel zu Standard-CMOS-Verfahren. Deshalb kommen nur wenige Halbleiterfirmen als Hersteller infrage. Außerdem lassen sich APDs und die dazu gehörige CMOS-Elektronik nicht auf demselben Chip unterbringen. Ein Ausweg besteht darin, den Sensor und die Elektronik auf separaten Halbleitern unterzubringen und diese nahe beieinander zu platzieren. Auf diese Weise lässt sich eine optimale Performance erreichen.

Ein APD-Sensor-Array lässt sich beispielsweise um Transimpedanz-Verstärker (TIA) ergänzen – mit anwendungsspezifischen Verstärkungsfaktoren und Bandbreitenwerten. Der TIA wandelt den Photostrom in Spannung und verstärkt das Signal.

Avalanche-Photodioden werden mithilfe bewährter Prozesse gefertigt. Sie sind mittlerweile in einer Vielzahl von Lidar-Systemen im Automobilbereich im Einsatz, auch deshalb, weil sie eine hohe Performance zu einem attraktiven Preis bieten. Daher sind solche Sensoren derzeit die erste Wahl für Lidar-Systeme im Automobilsektor, die über eine große Reichweite verfügen müssen.

Den passenden Sensor-Lieferanten finden

Neben der richtigen Sensor-Technologie für Lidar-Systeme müssen Entwickler den passenden Sensor-Lieferanten finden. Dafür sind drei Faktoren relevant: Qualität, Leistungsfähigkeit und Kosten.

Wichtig ist, dass ein Hersteller über Erfahrung mit dem Einsatz seiner Sensor-Technologien im Automobilbereich verfügt. Der Sensorhersteller muss über aktuelle Zertifizierungen verfügen und alle relevanten Vorgaben im Automobilbereich einhalten. Dazu gehören die ISO/TS 16949, der wichtigste Qualitätsmanagement-Standard in den Geschäftsprozessen und der Produktion der Automobilindustrie, und die Qualifikation von Produkten, beispielsweise nach den Standards AEC-Q102 und 104. Diese Normen definieren Stress-Tests für elektronische Komponenten, die in Fahrzeugen zum Einsatz kommen – etwa für diskrete optoelektronische Komponenten (Q102) und Multi-Chip-Module (Q104). Über die Qualifikation nach AEC-Q hinaus sollte Erfahrung mit Robustness Validation und Functional Safety vorhanden sein. Diese sind weitere Methoden, um Ausfallrisiken soweit wie möglich zu minimieren und die Sicherheit der Nutzer von Fahrerassistenz- und Automatisierungstechnologien im Fahrzeug zu gewährleisten.

Avalanche-Photodioden (APD) kommen in einem Großteil der Lidar-Systeme zum Einsatz, die in Fahrzeugen verbaut werden.

Avalanche-Photodioden (APD) kommen in einem Großteil der Lidar-Systeme zum Einsatz, die in Fahrzeugen verbaut werden. First Sensor

Ein weiteres Kriterium: Die Sensoren des Lieferanten sollten die nötige Leistungsfähigkeit aufweisen, die in der Applikation auch unter extremen Umweltbedingungen benötigt wird. Wichtige Merkmale sind die bereits erwähnte Empfindlichkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis, aber auch Multi-Pixel-Homogenität, sodass vielkanalige Sensoren den Blickbereich gleichmäßig vermessen.

Verfügt ein Hersteller zudem über eine große Wertschöpfungstiefe, können zentrale Komponenten besser optimiert und kontrolliert werden. Zudem kann eine lange Verfügbarkeit gewährleistet werden. Hinzu kommt, dass eine Flexibilität im Design der Detektoren eine optimale Anpassung an die Optik und die Spezifikation des Lidar-Systems erlaubt. Kann ein Lieferant neben Standardprodukten auch kundenspezifische Halbleiter, Komponenten und Module entwickeln und herstellen, dann besteht die Möglichkeit die Performance an das Systemdesign anzupassen. Dadurch kann sich ein Lidar-Systemhersteller von Wettbewerbern differenzieren. Die Experten des Herstellers und Designer des OEM müssen daher optimal zusammenarbeiten, vor allem bei der Anpassung der Sensoren und der Elektronik sowie bei der Integration der Komponenten in das Gesamtsystem.

Der richtige Sensorhersteller verfügt außerdem über eine überzeugende Innovationsstrategie. Sie sollte nicht nur technologische Trends berücksichtigen, sondern auch Marktentwicklungen und regulatorische Fragen. Dies gibt dem Hersteller von Lidar-Systemen die Gewissheit, dass er sich in einem Marktumfeld behaupten kann, dass durch ein hohes Entwicklungstempo geprägt ist.

Der dritte wichtige Faktor ist die Kostenposition des Lieferanten. Gerade in der Automobilbranche spielt ein optimales Verhältnis von Kosten und Performance eine wichtige Rolle. Ausschlaggebend für eine erfolgreiche Kostenposition des Lieferanten ist eine Produktion mit Skaleneffekten. Aber auch die richtige Plattformstrategie und die Berücksichtigung von Design-to-Cost-Ansätzen in der Entwicklung sind bestimmend. Nötig sind neben Produkt-Roadmaps auch Kosten-Roadmaps, die mit Verbesserungsprogrammen untersetzt sind.