Sowohl bei autonomen Fahrzeugen als auch beim Auto-Interieur spielt Lichttechnologie eine zentrale Rolle. Infrarotes Licht bildet beispielsweise die Basis für eine Reihe von Sicherheitsanwendungen, die bereits heute in Serienfahrzeugen zum Einsatz kommen. Lidar-Systeme haben das Ziel, die Verkehrssicherheit so weit wie möglich zu erhöhen und tragen dazu bei, dass sich autonome Fahrzeuge sicher durch den Verkehr bewegen.

Im Wesentlichen bestehen Lidar-Systeme aus einer infraroten Lichtquelle, einem Detektor sowie einer nachgelagerten Software, die die erfassten Messpunkte entsprechend verarbeitet. Beim Scanning Lidar wird die Umgebung mit sehr kurzen Laserpulsen in kleinen Schritten abgerastert. Trifft das Licht beispielsweise auf ein entgegenkommendes Fahrzeug, reflektiert dieses die Laserimpulse, welche dann ein Detektor registriert. Von der Zeit, die das Licht zum Fahrzeug und zurück benötigt, lässt sich die Entfernung und die Geschwindigkeit des anderen Fahrzeugs berechnen (Time-of-Flight-Prinzip). In der Anwendung erstellt das Lidar-System so laufend eine dreidimensionale Karte der Fahrzeugumgebung, anhand derer sich das autonome Fahrzeug orientieren kann.

Eckdaten ‚VCSEL für den Innenraum im Fahrzeug‘

In der Automobilbranche haben sich Edge Emitting Laser (EEL) und Infrarot-LEDs (IREDs) sowohl im Bezug auf autonomes Fahren als auch auch Interieur etabliert. Beide Technologien bieten Vor- und Nachteile hinsichtlich Reichweite, Leistung und Abmessung. Eine mögliche Alternative zu beiden Technologien könnten VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) darstellen. Sie haben hohe Schaltzeiten bei geringen Platzverbrauch.

Eine der aktuell größten Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Fahrassistenzsystemen wie Lidar besteht in der Vielfalt der Konzepte und Systemarchitekturen, die momentan von zahlreichen Herstellern geprüft werden. Bis es zu einer Standardisierung kommt, die Lidar tauglich für den Massenmarkt macht, gilt es für Lieferanten daher für jede vielversprechende Einsatzvariante, eine geeignete Komponente bereitzustellen. Osram Opto Semiconductors war dabei der erste Hersteller, der ein komplettes Portfolio an Laser-Lichtquellen für die verschiedenen Systemansätze anbot. Osram konnte die optische Pulsleistung und die Schaltgeschwindigkeit verbessern, indem der Halbleiterhersteller den Edge-Emitting-Laser weiterentwickelte und zudem Chipdesign und Packaging optimierte. Aufgrund der optischen Leistung der jüngsten Produktgeneration von 125 W können Fahrzeuge Objekte in einer Reichweite von 300 m erkennen und so verlässliche Tiefeninformationen generieren.

Die Qual der Wahl? – Laser oder VCSEL

Neben dem weiten „Blick“ nach vorne (sogenanntes „long-range LiDAR“; bis ca. 300m Entfernung), muss auch das unmittelbare Umfeld des Autos verlässlich erfasst werden. Dieses sogenannte short- bzw. mid-range LiDAR (bis ca. 90m Entfernung), deckt klassische Verkehrssituationen wie den Stadtverkehr oder Überholvorgänge auf der Autobahn ab.

Neben dem weiten „Blick“ nach vorne (sogenanntes „long-range LiDAR“; bis zirka 300 m Entfernung), muss auch das unmittelbare Umfeld des Autos verlässlich erfasst werden. Dieses sogenannte short- bzw. mid-range LiDAR (bis zirka 90 m Entfernung), deckt klassische Verkehrssituationen wie den Stadtverkehr oder Überholvorgänge auf der Autobahn ab. Osram Opto Semiconductor

Kantenemitter beziehungsweise Edge Emitting Laser (EEL) liefern über eine geringe Emissionsfläche besonders viel Licht auf wenig Raum und punkten somit auch bei Leistungsdichte und Reichweite. Im Zusammenhang mit Lidar gilt aber die VCSEL-Technologie als Alternative. Sie kombiniert die Eigenschaften zweier Beleuchtungstechnologien: das einfache Packaging einer Infrarot-LED (IRED) mit der spektralen Breite und Geschwindigkeit eines Lasers. Generell benötigen sie etwas mehr Bauraum als Kantenemitter, bieten aber dank ihrer speziellen Abstrahlcharakteristik Vorteile für Flash-Lidar-Systeme. Auch die größere Wellenlängen-Stabilität bei steigenden Temperaturen verglichen mit Lasern ist hervorzuheben. Ihre Leistungsdichte befindet sich aktuell zwischen der einer IRED und der eines Kantenemitters – die Spitze der Fahnenstange ist allerdings noch nicht erreicht. Im Hinblick auf die Skalierbarkeit könnten VCSEL künftig Vorteile bieten.

Ein Blick auf die Anforderungen für Scanning-Lidar-Systeme zeigen die Vorzüge der Kantenemitter. Die Leistungsdichte von bis zu 125 W auf kleiner Fläche ermöglicht die Verwendung einer platzsparenden Optik, was sich wiederum positiv auf die Gesamtgröße des Lidar-Moduls auswirkt.

Das Flaggschiff im LiDAR-Portfolio von Osram OS: Der Vier-Kanal-Laser SPL S4L90A_3 A01.

Das Flaggschiff im LiDAR-Portfolio von Osram OS: Der Vier-Kanal-Laser SPL S4L90A_3 A01. Osram Opto Semiconductor

In Bezug auf Lidar sollten EEL und VCSEL nicht als konkurrierende Technologien gesehen werden, sondern als komplementäre Optionen für mehr Sicherheit auf der Straße. Gerade in puncto Leistung sind im VCSEL-Bereich weitere Entwicklungsfortschritte notwendig, um die Vorstellungen der Lidar-Systemhersteller ausreichend bedienen zu können. Für den Einsatz in Automobilanwendungen sind sie aktuell noch nicht zertifiziert. Dieser Prozess ist allerdings bereits angestoßen. Zu erwarten sind erste Einsatzmöglichkeiten für VCSEL darum zunächst im Autoinnenraum.

Infrarotlichtquellen für mehr Sicherheit

Megatrends wie das autonome Fahren, Konnektivität, Elektrifizierung und Sharing führen dazu, dass sich das Auto vom reinen Fortbewegungsmittel zu einer fahrbaren Erweiterung unseres Wohnraums entwickelt, weshalb Aspekte wie Komfort und Gemütlichkeit eine besondere Rolle einnehmen.

Laut einer Erhebung des Statistischen Bundesamtes für das Jahr 2019 ist menschliches Fehlverhalten in 88,2 Prozent der Fälle die Ursache für Verkehrsunfälle mit Personenschaden in Deutschland. Schon vor rund 15 Jahren kamen die ersten einfacheren Sicherheitssysteme beziehungsweise Systeme zur Fahrerüberwachung in Serienfahrzeugen zum Einsatz.

Der neue 10-W-VCSEL-Chip Osram OS bietet erhöhte Leistung und Effizienz, kompakte Größe und niedrige thermische Impedanz.

Der neue 10-W-VCSEL-Chip Osram OS bietet erhöhte Leistung und Effizienz, kompakte Größe und niedrige thermische Impedanz. Osram Opto Semiconductor

In aller Regel arbeiten diese Lösungen mit 2D-Informationen des Gesichts des Fahrzeuglenkers. Eine infrarote Lichtquelle beleuchtet das Gesicht des Fahrers, eine CMOS-Kamera zeichnet je nach Ausführung 30 oder 60 Bilder pro Sekunde auf. Ein nachgelagertes System wertet die aufgezeichneten Bilder aus und analysiert die Blickrichtung des Fahrers oder auch die Häufigkeit des Lidschlusses. Mit Informationen wie diesen kann das System Rückschlüsse auf eine etwaige Ablenkung oder fortschreitende Ermüdung des Fahrers ziehen und den Fahrer mit Warnsignalen darauf hinweisen oder ihm empfehlen, eine Pause zu machen.

Je nach Einbauort des Driver-Monitoring-Systems ändert sich das Field of View (FoV). Dementsprechend müssen auch die einzelnen Komponenten auf diesen Bereich abgestimmt sein. Beispielsweise muss die Lichtquelle das definierte Rechteck möglichst hell und gleichmäßig ausleuchten. Üblicherweise sind die Systeme für ein FoV von 35° – 40° vertikal und 45° – 50° horizontal ausgelegt.

Neben den strengen Anforderungen für den Einsatz im Automotive-Bereich müssen die Infrarotlichtquellen eine konstante gleichmäßige Beleuchtung des FoV mit etwa 4 – 5 W/m2 sicherstellen. Diese Richtgröße ergibt sich unter anderem aus der Entfernung des Emitters zum Fahrer, die je nach Systemansatz zwischen 40 und 110 cm liegen kann. Als Wellenlänge der Wahl hat sich 940 nm bewährt, weil der red glow genannte Effekt, den das menschliche Auge als störendes rotes Flackern wahrnehmen kann, in diesem Wellenlängenbereich keine Rolle spielt. Um möglichst gute Bilder für das System zu generieren, empfiehlt sich zudem eine Kamera mit einer Integrationszeit zwischen 0,5 und 4 ms.

Mit der Oslon-Black-IRED-Familie bietet Osram Opto Semiconductor ein breites Portfolio an Hochleistungsemittern, das auf diese Systemanforderungen abgestimmt ist. So kommt die Oslon Black SFH 4725 AS A01 mit einer Wellenlänge von 940 nm auf eine optische Leistung von bis zu 1970 mW im Dauerbetrieb. Systemhersteller können bei dieser Produktfamilie zudem aus verschiedenen Abstrahlwinkeln (50°, 90°, 120° und 150°) wählen.

Doch auch VCSEL sind eine durchaus interessante Lösung für Driver-Monitoring-Systeme. Wegen ihrer geringen spektralen Breite von lediglich 1,5 nm fällt der red-glow-Effekt um den Faktor zwei bis drei geringer aus als bei einer IRED trotz gleicher Wellenlänge von 940nm. Darüber hinaus ist die für Kameraaufnahmen optimierte Abstrahlcharakteristik der VCSEL hervorzuheben. Sie gleicht die Vignettierung der Kamera aus und macht somit den Einsatz eines Sekundärreflektors unnötig. Im Vergleich zu IRED-basierten Lösungen reduziert dies neben den Systemkosten auch die benötigte Bauraumtiefe.

Unsichtbare Kontrollhilfe durch den Blick in die Tiefe – In-Cabin-Monitoring

Eine verhältnismäßig junge, ebenfalls Infrarotlicht-basierte Anwendung soll künftig dabei helfen, die Position aller Mitfahrer und Objekte im Fahrzeug zu bestimmen, um nichts mehr versehentlich im Fahrzeug zurückzulassen. In-Cabin-Monitoring erfasst etwa vergessene oder zurückgelassene Gegenstände und kann den Fahrer noch rechtzeitig über das Smartphone informieren oder beim Aussteigen darauf aufmerksam machen. Darüber hinaus können Systeme wie dieses schon heute dabei helfen, dass im Sommer bei besonders heißen Temperaturen der Fahrer alarmiert wird, wenn sich beispielsweise noch ein Kind oder ein Hund im Auto befindet.

Gestensteuerung ist einer von mehreren Bausteinen intuitiver Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug.

Gestensteuerung ist einer von mehreren Bausteinen intuitiver Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug. Osram Opto Semiconductor

Um hier verlässliche und hochwertige Informationen für die Systeme zu generieren, bedarf es einer ausgeklügelten 3D-ToF-Anwendung. Ein solches System besteht in der Regel aus einer PMD-Kamera, einem VCSEL als Infrarotlichtquelle und einem Detektor. Anders als eine klassische IRED ist der VCSEL kein Flächenstrahler, sondern emittiert sein Licht aus hunderten einzelnen Aperturen rechtwinklig zur Chipoberfläche und mit Hilfe einer speziellen Optik gebündelt ins definierte Field-of-View. Vereinfacht erklärt schickt der VCSEL-Chip hunderte parallele Lichtstrahlen in die Umgebung. Trifft einer davon auf ein Objekt im Fahrzeug wird er reflektiert und vom Detektor erkannt. Anhand der gemessenen Zeit, die der Lichtstrahl von der Lichtquelle zum Objekt und wieder zurück benötigt hat, lässt sich die Entfernung bestimmen. Zusammen mit den Informationen, die die weiteren Aperturen generieren entsteht so ein hochauflösendes 3D-Bild mit entsprechenden Tiefeninformationen. Eine Software kann dann aus diesen Messergebnissen bestimmen, um was für ein Objekt es sich hier handelt oder ob sich noch eine Person im Fahrzeug befindet.

Je nach Einbauort sind auch beim In-Cabin-Monitoring verschiedene FoV nötig – typischerweise 110° – 160° horizontal und 80° – 100° vertikal. In den meisten Fällen ist das System zentral im Fahrzeug in den Dachhimmel integriert, um möglichst das komplette Fahrzeug erfassen zu können. Wie beim Driver Monitoring gelten auch für die Komponenten von In-Cabin-Monitoring Lösungen strenge Anforderungen wie die Temperaturstabilität bis zu 105° C in der Anwendung. Der Infrarot-VCSEL emittiert zur Vermeidung des red-glow-Effekts Licht mit 940 nm Wellenlänge und muss das definierte FoV möglichst hell und homogen ausleuchten. Der zentrale Grund, warum in solchen Anwendungen VCSEL statt IREDs Verwendung finden, liegt in der benötigten Generierung von Tiefeninformation. Hier kommen dem VCSEL die schnellen Schaltzeiten von weniger als 1 ns zugute.

Nonverbale Kommunikation mit dem Fahrzeug: Basic und Advanced Gesture Sensing

Das Für und Wider der beschriebenen Infrarotlichtquellen (hier VCSEL und IRED) wird am Beispiel der Gestenerkennung im Fahrzeug besonders anschaulich. Einfache Lösungen bestehen hier in der Regel aus diskreten Bauteilen – sprich ein separater Infrarot-Emitter und ein separater Detektor. Mit Systemen wie diesen ist es möglich, wenig komplexe Gesten und Bewegungsabläufe zu erkennen. Im Hinblick auf die eingesetzte Lichtquelle kommen hier Hochleistungs-IREDs zum Einsatz. Damit das Licht gleichmäßig im definierten FoV ankommt, ist eine Sekundäroptik nötig.

Driver-Monitoring Systeme beleuchten das Gesicht des Fahrers – für ihn unsichtbar – gleichmäßig mit Infrarotem Licht, um seine Blickrichtung oder langsame Ermüdung festzustellen.

Driver-Monitoring Systeme beleuchten das Gesicht des Fahrers – für ihn unsichtbar – gleichmäßig mit infrarotem Licht, um seine Blickrichtung oder langsame Ermüdung festzustellen. Osram Opto Semiconductor

Abhängig vom Wunsch des Systemherstellers sind mit Hilfe komplexerer Lösungen auf VCSEL-Basis auch High-End Gestenerkennungssysteme möglich. Wie beim In-Cabin-Monitoring lassen sich mit Hilfe von VCSELn dreidimensionale Tiefeninformationen generieren und so extrem präzise Messergebnisse erzeugen. Mit diesem Ansatz ist es möglich, deutlich komplexere Gesten und Bewegungen des Fahrers zu erkennen und zu verarbeiten. Auch in diesem Zusammenhang gilt es für die Komponentenhersteller unterschiedliche FoVs abzudecken.

In der Regel sind Systeme zur Gestenerkennung im Displaygehäuse verbaut, da vorwiegend die Interaktion mit der Hauptbedieneinheit im Fahrzeug im Fokus steht. Während sich High-End IREDs mit etwa 30 MHz schalten lassen, haben VCSEL Schaltzeiten von 80 oder gar 100 MHz. Anders als bei IREDs ist bei VCSEL keine platzraubende Sekundäroptik notwendig, um das FoV gleichmäßig zu beleuchten. Hier übernimmt das Package beziehungsweise die bereits verbaute Primäroptik diese Aufgabe.

Resümee

Aktuell müssen die Key-Player der Branche grundlegende Entscheidungen darüber treffen, welche Systemarchitektur und welche Sensoren das Rennen für neuartige Anwendungen in den kommenden Fahrzeuggenerationen machen. Abhängig davon wie diese Entscheidung ausfällt, gilt es darüber hinaus vor allem im Hinblick auf das (teil-)autonome Fahren noch diverse rechtliche Fragen zu klären. Auch die Akzeptanz der Endverbraucher wird eine zentrale Rolle dabei spielen, welche Anwendungen und Gadgets sich im und um das Fahrzeug langfristig werden etablieren können. Beim Blick auf die verschiedenen Auswahlmöglichkeiten bei den Infrarotlichtquellen ist es letztendlich die Entscheidung der Systemhersteller, welche Technologie am besten zu ihrer Systemarchitektur passt. Osram Opto Semiconductors verfügt über ein Infrarot-Portfolio mit allen zentralen Emitter-Technologien (IRED, VCSEL und EEL) und Leistungsklassen (Low-Power, High-Power).