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.

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