Bald ist Schluss mit der Langeweile im zähen Stadtverkehr oder auf der Autobahn. Stattdessen bringt uns das Auto eigenständig ans Ziel, während wir uns entspannt anderen Dingen widmen. Für heutige Verkehrsteilnehmer ist das noch Zukunftsmusik, aber zahlreiche Prototypen und Aufsehen-erregende Testfahrten zeugen davon, mit welchem Nachdruck Autobauer, Zulieferer aber auch Softwarefirmen an Konzepten für autonomes Fahren arbeiten.
Bild 1: Rundumsicht für autonomes Fahren: Neben Radar sind es vor allem Kameras und Lasersensoren, deren Messungen in Zukunft das autonome Fahren ermöglichen werden. Osram Opto Semiconductors
Damit die Algorithmen, die das Auto führen, richtige und sichere Fahrentscheidungen treffen, müssen sie über die Fahrsituation und das Umfeld des Autos ganz genau Bescheid wissen. Viele verschiedene Sensoren – meist auf Radar-, Laser- oder Kamerabasis – erheben diese Daten für Fahrerassistenzsysteme wie Stop-and-Go-Assistenten, Einparkhilfen, Spurhalte- oder Notbremsassistenten. Schrittweise gewinnen diese Systeme an Eigenständigkeit und ermöglichen zunächst ein teilweise automatisiertes, beispielsweise auf Autobahnen, und eines Tages ein vollautomatisiertes Fahren. Auf der Sensorseite geht es dann darum, die verschiedenen Technologien optimal zu kombinieren, um mit den Daten möglichst viele Funktionen abzudecken, und um, wie aus Sicherheitsgründen gefordert, die Datenquellen redundant auszulegen.
Umfelderfassung mit Lasern
Lasersensoren bestehen aus Lasern und Detektoren. Sie messen Entfernungen über die Laufzeit von Licht (Lidar: Detection And Ranging). Der Sensor sendet einen Lichtpuls aus, den das angestrahlte Objekt zurück zum Detektor reflektiert. Aus der Zeit, die der Lichtpuls für den Weg zum Objekt und zurück braucht, ergibt sich der Abstand zwischen Objekt und Sensor. Die Reichweite hängt von der Laserleistung, den Sichtverhältnissen und von der Reflektivität des Objekts ab. Eine der ersten Anwendungen von Lidar im Auto war der intelligente Tempomat, der den Abstand zum vorausfahrenden Auto misst und die eigene Geschwindigkeit daran anpasst.
Bild 2: Laser-Radar (Lidar): Ein ausgesandter Lichtimpuls wird an einem Objekt – in diesem Fall am vorausfahrenden Fahrzeug – auf den Detektor reflektiert. Die Entfernung zwischen Objekt und Auto ergibt sich aus der Laufzeit des Lichtimpulses.Osram Opto Semiconductors
Es gibt verschiedene Arten von Lidar-Sensoren. Im ersten Fall sendet ein Laser kurze Lichtpulse aus, die die gesamte Szenerie ausleuchten, und registriert mit einem einfachen Detektor-Array, meist einer Zeile, ortsaufgelöst die Signale. Das System misst den Abstand zu Objekten in der Umgebung und ermittelt aus dem zeitlichen Verlauf, wie die Objekte sich bewegen. Solche Lasersysteme decken typisch einen Winkelbereich von ±4° (vertikal) und ±20° (horizontal) ab. Laser-Scanner hingegen überstreichen ein sehr breites Blickfeld. Sie lenken einen fokussierten Strahl über einen rotierenden Spiegel und rastern damit die Szenerie ab. Das bekannteste Beispiel ist der 360°-Laserscanner auf dem Dach der Google-Autos. Aus Designgründen sind die Scanner aber meist in die Karosserie integriert. Ein Beispiel ist das Demonstrationsfahrzeug von Audi, das dieses Jahr von San Francisco nach Las Vegas zur CES gefahren ist und dabei auf allen Autobahnen autonom unterwegs war. Es verfügt neben Radarsensoren und Videokameras über je einen Laserscanner im Kühlergrill und im Heck. Laserscans liefern im Allgemeinen eine Punktwolke der Umgebung, wobei jedem Punkt die aktuelle Entfernung zum Auto zugeordnet ist. Mit ihrer hohen Winkelauflösung von unter einem Grad ermöglichen Laserscanner die Identifikation von Objekten, sodass sie beispielsweise zwischen einer Mülltonne und einem Fußgänger am Straßenrand unterscheiden können. Laserscanner registrieren auch Hindernisse dicht vor dem Auto – beispielsweise die Beine von Fußgängern – und eignen sich deshalb als ergänzendes System zu Radarsensoren.
Laser für Lidar im Auto
Bild 3: Seit über zehn Jahren kommt die SPL LL90_3 in Lidar-Systemen im Auto zum Einsatz. Die Pulslaserdiode SPL LL90_3 verfügt über einen integrierten Treiber zur Erzeugung kurzer Impulse mit hohen Strömen.Osram Opto Semiconductors
Lidar-Systeme nutzen infrarote Impuls-Laserdioden mit kurzer Schaltzeit und hohen Leistungen. Eine gängige Wellenlänge ist 905 nm. Dieser Spektralbereich ist für Menschen kaum mehr wahrnehmbar, während der Detektor dafür noch empfindlich ist. Die typischen optischen Impulsleistungen liegen bei etwa 25 W. Osram war der erste Anbieter, mit dessen Pulslasern vor mehr als zehn Jahren erstmals Lidar-Sensoren im Auto realisiert wurden. Um die Leistung pro Laserdiode zu steigern, entwickelte Osram die Nanostack-Technologie, bei der in einem Chip drei Laserdioden epitaktisch gestapelt sind. Die Impuls-Laserdioden SPL PL90_3 oder der Smart Laser SPL LL90_3 liefern so eine optische Leistung von über 75 W. Der SPL LL90_3 verfügt zudem über eine integrierte Treiberelektronik, die hohe Stromimpulse von etwa 50 A erzeugt und damit Laserimpulse mit steilen Flanken und Impulslängen von etwa 20 ns ermöglicht. Als Detektoren kommen Avalanche-Photodioden (APD) oder die günstigeren PIN-Photodioden mit schnellen Schaltzeiten von wenigen ns zum Einsatz. Geeignete oberflächenmontierbare (SMT) PIN-Photodioden mit der nötigen hohen Empfindlichkeit sind zum Beispiel die BPW 34S und die SFH 2400. Lidar-Systeme für den Einsatz in Automobilen sind aufgrund ihrer kurzen Lichtimpulse in die Laserklasse Eins eingeordnet und sind für menschliche Augen ungefährlich.
Der nächste Entwicklungsschritt wird der Übergang auf SMT-Bauformen sein. Heute sind Laserdioden in Durchsteckgehäusen gebräuchlich, was unter anderem daran liegt, dass die kantenemittierenden Laserchips neuartige SMT-Konzepte erfordern. Je nach Anwendungsanforderung sind für die Zukunft eine Reihe weiterer Entwicklungen denkbar. Beispielsweise können höhere Wellenlängen, etwa 1050 nm, eine Steigerung der optischen Leistungen unter Einhaltung der Augensicherheitsnormen ermöglichen. Dieser Spektralbereich würde allerdings eine neue Detektortechnologie erfordern. Auch von integrierten Subsystemen wie einer Kombination von Laser und Treiberelektronik oder von Detektor und ASIC könnten Lidar-Systeme profitieren, denn sie ermöglichen kürzere Schaltzeiten und damit eine höhere zeitliche Messauflösung.
Kamerasysteme mit infraroter Zusatzbeleuchtung
Kameras bilden heute die Grundlage vieler Einparkhilfen oder Spurassistenten. Aus Kamerabildern und Videos lässt sich mit intelligenter Bildverarbeitung das Umfeld des Autos detailliert erfassen, und auch das Erkennen von Verkehrszeichen ist möglich. Je autonomer das Fahren wird, desto sicherer müssen die Kamerabilder für Entscheidungen interpretiert werden. Voraussetzung hierfür ist ein Höchstmaß an Bildqualität. In der Dämmerung oder bei Nacht ist deshalb eine zusätzliche Ausleuchtung der Szenerie mit infrarotem Licht sinnvoll. Als Lichtquellen eignen sich leistungsstarke infrarote Leuchtdioden (IRED) mit 850 nm Wellenlänge. Dieser Spektralbereich ist für Kamerasensoren sehr gut detektierbar, aber für Menschen kaum mehr wahrnehmbar.
Eine der ersten Beleuchtungsanwendungen für IRED im Auto waren kamerabasierte Nachtsichtassistenten. Sie leuchten die Straße zirka 150 m weit infrarot aus und erzeugen ein Graustufenbild, das auf einem Display eingeblendet wird. Um die nötige Helligkeit zu realisieren, müssen die eingesetzten IRED sehr hohe optische Leistungen liefern und für Dauerlichtbetrieb bei hohen Strömen geeignet sein. Osram war einer der ersten Anbieter von Hochleistungs-IRED für den Einsatz im Auto und hat seitdem seine Chip- und Gehäusetechnologie beständig weiterentwickelt.
Heute bringt die Oslon Black SFH 4715A rund 800 mW optische Leistung bei 1 A. Mit einem typischen Wirkungsrad von 48 % bei 1 A ist sie aktuell das effizienteste Bauteil am Markt. Ihr Wärmewiderstand von typisch 6,5 K/W erlaubt den Dauerbetrieb bis zu 1 A. Um noch hellere Einzelsender zu realisieren, übertrug Osram die Nanostack-Technologie auf IRED und realisierte so einen Zweifach-Emitter. Damit knackte das Unternehmen die 1-Watt-Marke und erreicht mit der jüngsten Chip- und Gehäusegeneration in der SFH 4715AS genannten IRED 1370 mW optische Leistung im Dauerbetrieb bei 1 A. Im Impulsbetrieb sind bis 3 A Strom zugelassen, während der Wärmewiderstand auf 5,5 K/W absank. Je nach unterschiedlichem Einsatzgebiet der Kameras im Auto unterscheiden sich die Anforderungen an den Abstrahlwinkel der IRED. Dem tragen zwei Varianten der Oslon Black Rechnung. Die 90-Grad-Linse spielt besonders gut mit externen Optiken zusammen, die den Strahl für die jeweilige Applikation formen. Die 150-Grad-Variante dient der Ausleuchtung eines großen Areals im Nahbereich und eignet sich besonders für reflektorbasierte Optiken zur Realisierung von engen Lichtkegeln und hohen Reichweiten.
Bild 4: Beobachtet man das Gesicht des Fahrers mit Kameras, lässt sich unter anderem seine Lidschlagfrequenz und seine Blickrichtung ermitteln.Osram Opto Semiconductors
Auch im Autoinnenraum wird der Einsatz von Kameras zunehmen. Ein automatisch gesteuertes Auto muss wissen, womit sich sein Fahrer gerade befasst, damit es seine Aufmerksamkeit rechtzeitig auf den Verkehr lenken kann, bevor es in bestimmten Situationen die Kontrolle an ihn zurück übergibt. Heute überwachen Aufmerksamkeits-Assistenten vor allem, ob der Fahrer ermüdet. Dies geschieht zum Beispiel über die Analyse seiner Lenk- und Pedalbewegungen sowie über die Frontkamera, die ein typisches Driften zwischen den Spuren detektiert. Beobachtet man jedoch das Gesicht des Fahrers mit Kameras, lässt sich unter anderem seine Lidschlagfrequenz ermitteln, um beginnende Müdigkeit zu erkennen. Außerdem kann man durch Bestimmung der Blickrichtung auf die aktuelle Aufmerksamkeit schließen, beispielsweise ob der Fahrer nach vorne auf die Straße sieht oder in einem Gefahrenfall gerade abgelenkt ist.
Bild 5: Infrarotes Licht für gute Kamerabilder: Die Oslon Black ist derzeit eine der leistungsstärksten infraroten LED mit 850 nm Wellenlänge. Sie liefert bei 1 A Strom 800 mW optische Leistung (SFH4715A), in der Stack-Version (SFH 4715AS) sogar 1370 mW. Osram Opto Semiconductors
Im Inneren des Autos ist es nicht hell genug, um alleine mit dem vorhandenen Licht zu allen Tageszeiten eine hohe Bildqualität zu realisieren. Deshalb ist eine zusätzliche infrarote Ausleuchtung erforderlich. Um den Fahrer nicht abzulenken, nutzt man statt 850 nm IRED, deren Licht im Dunklen noch als schwacher roter Schein wahrnehmbar ist, langwelligere Sender mit 940 nm. Die Anforderungen hinsichtlich optischer Leistung im Dauerbetrieb sind hoch, denn es gilt, eine relativ große Fläche mit möglichst kleinen Beleuchtungseinheiten auszuleuchten. Eine passende IRED mit 940 nm, die für Automobilanwendungen qualifiziert ist, ist die Oslon Black SFH 4725S / SFH 4726S mit 90° beziehungsweise 150° Abstrahlwinkel. Sie liefert typisch 990 mW optische Leistung bei 1 A.
Fazit
Das selbstfahrende Auto der Zukunft muss sehr gut über seine Umgebung und seinen Lenker Bescheid wissen, um sicher die richtige Fahrentscheidung zu treffen. Optische Technologien nehmen bei der Erfassung dieser Informationen eine wichtige Rolle ein. Zu beobachten ist eine hohe Dynamik bei der Entwicklung neuer Sensoren, um weitere Details zu messen, und eine zunehmende Sensorfusion, also die Verschmelzung der bisher meist individuell arbeitenden Systeme zur Realisierung zusätzlicher Funktionen. Für die Lichtquellen ergeben sich dadurch neue Anforderungen hinsichtlich des abzudeckenden Blickfelds, der Wellenlängen oder der benötigten optischen Leistung. Bei Osram stehen derzeit Leistungssteigerungen, Effizienzverbesserungen, die weitere Reduzierung des Wärmewiderstands und die Entwicklung neuer verbesserter Gehäuse im Fokus, um aus immer kleineren Einheiten immer mehr Licht zu erzeugen. Dazu kommen – je nach Anwendungsbedarf – zusätzliche Wellenlängen und Optiken.
Alfred Vollmer
(av)
