Optische Sensoren – Schlüsseltechnologie für Assistenzsysteme

Die lückenlose technische Grundlage für die Daten, auf deren Basis Assistenzsysteme arbeiten, ist unabdingbar. Ohne sie können die Passagiere der Entscheidungsgrundlage von Systemen kein Vertrauen schenken. Optische Systeme auf Basis von infraroten Lasern und LEDs spielen hierfür eine Schlüsselrolle: durch sie können gegenwärtige und zukünftige intelligente Systeme den Autofahrer schrittweise entlasten.

Neue Sensoren legen heute eine Entwicklungsdynamik an den Tag, die nicht nur immer detailliertere Messungen, sondern auch die Sensorfusion ermöglicht. Dies führt zu neuen Anforderungen im Hinblick auf das abzudeckende Blickfeld, die Wellenlängen und die benötigte optische Leistung.

Die Basis sicherer Fahrentscheidungen

Immer mehr Prototypen zeigen eindrucksvoll, wie Automobilhersteller, Zulieferer und Softwarefirmen fieberhaft am autonomen Fahren arbeiten. Die für die Fahrzeugführung verantwortlichen Algorithmen sind darauf angewiesen, über Fahrsituation und das Umfeld des Autos bestens Bescheid zu wissen.

Dies gelingt durch Sensoren, die zumeist mit Radar, Lasern oder Kameras arbeiten. Fahrassistenzsysteme wie Einparkhilfen, Spurhalte- oder Notbremsassistenten zeigen bereits in Ansätzen die Möglichkeiten dieses spannenden Bereichs. Ziel ist es heute, die unterschiedlichen Technologien optimal zu kombinieren und aus Sicherheitsgründen redundante Datenquellen einzurichten.

Umfelderfassung mit LIDAR-Systemen

Mittels Lasern und Detektoren messen Lasersensoren über eine gewisse Entfernung die Laufzeit von Licht (Light Detection And Ranging, kurz LIDAR). Es wird ein Lichtimpuls ausgesendet, der vom anderen Objekt reflektiert wird. Aus der Zeit, die der Impuls hin und zurück benötigt, ermittelt der Wagen dann den Abstand zwischen Sensor und Objekt. Der intelligente Tempomat ist ein Beispiel für eine bereits heute verwendete LIDAR-Technologie.

In diesem Zusammenhang kommen unterschiedliche Laserarten zum Einsatz. Solche, die kurze Lichtimpulse aussenden, um die gesamte Umgebung auszuleuchten und Laser-Scanner, die demgegenüber ein sehr breites Blickfeld schnell erfassen und rastern können. Sie sind sogar in der Lage, beispielsweise eine Mülltonne von einem Fußgänger am Straßenrand zu unterscheiden und eignen sich so perfekt als ergänzendes System zu Radarsensoren.

Die Basis für LIDAR im Automobilbereich: Infrarote Pulslaser

Enorm leistungsstarke infrarote Impuls-Laserdioden mit kurzer Schaltzeit bilden die technische Grundlage von LIDAR-Systemen. Mit einer optischen Pulsleistung von etwa 25 Watt (W) und einem Spektralbereich von 905 Nanometern (nm) sind ihre Impulse für den Menschen so gut wie gar nicht wahrnehmbar. Für das menschliche Auge sind sie vollkommen ungefährlich.

Vor mehr als 10 Jahren wurden die ersten LIDAR-Sensoren in einem Auto realisiert. Mithilfe der sogenannten Nanostack-Technologie, also der epitaktischen Aufschichtung dreier Laserdioden, konnte die Leistung pro Laserdiode massiv gesteigert werden. Als Detektoren werden Avalanche-Photodioden (APD) oder günstige PIN-Photodioden genutzt.

Solche oberflächenmontierbare (SMT) PIN-Photodioden, die auch ausreichend hoch empfindlich sind, gelten beispielsweise die BPW 34S und die SFH 2400. Wird die Entwicklung in Richtung SMT-Bauformen weiter betrieben, wird das den Einsatz von Laserdioden entschieden kostengünstiger gestalten.

Sicherheit mit infraroten Leuchtdioden erhöhen

Abgesehen von Radar und Laser-Sensoren stellen Kameras eine entscheidende Grundlage von Assistenzsystemen dar. Dafür kommt es wiederum darauf an, dass Kamerabilder sicher für Entscheidungen interpretiert werden. Ein Höchstmaß an Bildqualität sowie die zusätzliche Ausleuchtung mit infrarotem Licht in der Dämmerung oder bei Nacht sind hierfür entscheidend. Die Lichtquelle hierfür sind infrarote Leuchtdioden (IRED) mit 850 nm Wellenlänge.

In Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzgebiet einer Kamera im Auto lassen sich unterschiedliche Anforderungen an den Abstrahlwinkel definieren. Zwei Varianten bieten sich hier an: Eine 90°-Linse, die besonders gut mit externen Optiken zusammen arbeitet und eine 150°-Variante, die mit reflektorbasierten Optiken enge Lichtkegel und hohe Reichweiten realisieren kann.

Wie geht es weiter?

In Zukunft muss das intelligente Fahrzeug genauestens Umgebung und Fahrer erfassen, um die richtigen Entscheidungen treffen zu können. Dafür sind optische Technologien von entscheidender Bedeutung. Aufmerksamkeitsassistenten sind mittlerweile fähig, Lenk- und Pendelbewegungen im Hinblick auf Müdigkeitserscheinungen zu analysieren. Dies setzt die Ausleuchtung des Fahrzeuginnenraums mit infrarotem Licht voraus.

Lichttechnik stellt ohnehin ein interessantes Feld des modernen Automobilbaus dar. Optische Technologien im Fahrzeug sind nicht nur für Assistenzsysteme wie die oben genannten vonnöten, sondern z. B. auch für Lichtmesstechnik oder optische Lichtsysteme aus psychophysischer Sicht die Grundlage. Unterschiedliche Leuchtkörper im Fahrzeuginnenraum wie LED, OLED oder Xenon-Lampen bieten verschiedene Vor- und Nachteile. Es gilt, die sich bietenden Möglichkeiten nun optimal abzuschöpfen und den Herausforderungen des intelligenten Fahrens mit kreativen Lösungen zu begegnen.

Ein Artikel von:

Peter Knittel, LED Automotive, Osram Opto Semiconductors