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Tiefenerfassung im Automotive-Bereich

3. November 2021, 6:57 Uhr | Joseph Notaro

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Verschiedene Arten von Lidar und ihre Anwendung

  1. Das Prinzip hinter dem gebräuchlichsten Lidar-Typ, dToF (direct Time-of-Flight), ist einfach: Gemessen wird die Zeit, die ein Lichtimpuls benötigt, um zu einem Ziel und zurück zum Sensor zu gelangen. Da die Lichtgeschwindigkeit eine bekannte physikalische Größe ist, lässt sich der Abstand zwischen Sender/Detektor und dem reflektierenden Ziel einfach berechnen. Dabei wird ein einzelner kurzer Impuls von einer Lichtquelle (meist ein Laser) ausgesendet und gleichzeitig ein genauer Zeitgeber (Timer) aktiviert. Trifft der Lichtimpuls auf ein Objekt, das sich innerhalb der Reichweite befindet, wird er zu einem hochempfindlichen Lichtsensor zurückreflektiert, der sich neben dem Laser befindet. Sobald der Rückimpuls erkannt wurde, wird der Timer gestoppt und die Zeit erfasst, die für den Weg zum Objekt und zurück benötigt wurde.
    Der dToF-Ansatz ist schnell und kann mehrere Echos messen, womit sich mehrere Objekte im Sichtfeld des Lidars erkennen lassen. Die Technik kann im Nah- sowie im Fernbereich (0,1 bis 300 m) zum Einsatz kommen.
  2. Ein anderer Lidar-Ansatz, iToF (in-direct Time-of-Flight), verwendet eine kontinuierliche Lichtwelle, wiederum von einem Laser. Dabei wird die verstrichene Zeit/ToF nicht direkt gemessen, sondern aus der Phasendifferenz zwischen gesendeter und empfangener Wellenform bestimmt.
    iToF eignet sich eher für Anwendungen mit relativ kurzer Reichweite (<10 m), insbesondere in Innenräumen, in denen die Licht-verhältnisse weniger anspruchsvoll sind als im Freien, wo der Kontrast oft viel größer ist. iToF ist auf die Erkennung einzelner Objekte beschränkt, da nur das stärkste Echo erkannt werden kann.
  3. Die dritte Lidar-Art, FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave), kommt für Anwendungen mit kurzer und großer Reichweite zum Einsatz. Diese Technik verwendet einen abstimmbaren Laser, um eine kontinuierliche Lichtwelle zu erzeugen, die mit dem reflektierten Licht am Detektor vermischt wird. Durch dieses Mischen entsteht eine Schwebungsfrequenz zwischen der lokalen und der reflektierten Wellenform, mit der sich der Abstand des Objekts und die Richtungsgeschwindigkeit berechnen lassen.
    FMCW ist zwar in der Lage, eine ausgezeichnete Entfernungsmessung und auch Informationen über die Richtungsgeschwindigkeit zu bieten, doch sind die Systemkosten für ein solches Lidar-System durch den abstimmbaren Laser mit Polarisationssteuerung und die notwendigen kurzwelligen Infrarot-Wellenlängen ziemlich hoch – denn hier sind ‚exotische‘ Halbleiterbauelemente für den Laser und Detektor erforderlich.

Die Debatte um die Wellenlänge

Eines der umstrittensten Themen rund um Lidar ist die Frage der Wellenlänge. IR wird sichtbarem Licht vorgezogen, da es viel weniger Hintergrundrauschen verursacht und das resultierende Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) besser ist, was die Erkennung des reflektierten Lichts erleichtert.

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dToF misst die Zeit, die das Licht für den Weg zum Ziel und zurück benötigt. Ist die verstrichene Zeit (t) zwischen ­gesendetem Impuls und empfangenem Echo bekannt, lässt sich die Entfernung (D) zum Zielobjekt mithilfe der ­Lichtgeschwindigkeit (c) berechnen.
© ON-Semiconductor

Innerhalb des IR-Spektrums eignen sich mehrere Wellenlängen, unter anderem die des Nahinfrarotspektrums (NIR) mit 850, 905, 940 nm und die des kurzwelligen Infrarotspektrums (SWIR) mit 1350, 1550 nm. Die Entscheidung, welches dieser Spektren verwendet werden soll, ist der Kern der ‚Debatte über Wellenlängen‘. Die drei wichtigsten Kriterien, die es zu berücksichtigen gilt, sind die Leistungs-fähigkeit des Systems, die Verfügbarkeit geeigneter Bauelemente sowie die Gesamtkosten.

Eine der grundlegenden Komponenten in jedem Lidar-System ist der Detektor. CMOS-Detektoren auf Siliziumbasis erfassen Licht mit Wellenlängen im Bereich von 400 bis 1000 nm, was sie für sichtbares und NIR-Licht empfindlich macht – für SWIR-Licht jedoch transparent. Um SWIR-Licht zu erfassen, sind III/V-Halbleiter wie InGaAs-Legierungen erforderlich, die im Vergleich zu Silizium sehr teuer sind.

Die Verfügbarkeit von Bauelementen ist eine weitere Überlegung, insbesondere bei den Laser-Emittern. EELs (Edge Emitting Laser) werden heute durch VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) abgelöst, die sich leichter in Arrays unterbringen lassen und eine stabile Wellenlänge über der Temperatur bieten. VCSELs sind derzeit noch weniger energieeffizient und teurer, was sich aber mit zunehmender Verbreitung verbessern wird.

Für SWIR-EELs gibt es mehrere Anbieter, jedoch derzeit nur einen für SWIR-VCSELs. Für NIR-VCSELs stehen hingegen mehrere Anbieter bereit. Daher verspricht die Entscheidung für NIR mehr Sicherheit in der Lieferkette.

Wichtig ist auch die Erfassungsreichweite, da sie die verfügbare Reaktionszeit erhöht und somit mehr Sicherheit bietet. Übermäßig starke Laser können jedoch die Augen schädigen. Daher legt der Standard IEC 60825 die maximal zulässige Exposition (MPE; Maximum Permissible Exposure) für einen 1-ns-Laserpuls fest.

Da NIR eine niedrigere MPE haben muss, kann die Laserleistung erhöht werden, wenn die Impulsbreite verkürzt wird. Mit empfindlichen Detektoren lassen sich so Entfernungen bis zu 300 m abdecken. Bei gutem Wetter übersteigt die Reichweite von SWIR die von NIR, durch Feuchtigkeit wie Regen oder Nebel wird SWIR jedoch stärker beeinträchtigt, sodass bei einem NIR-basierten System die Leistungsfähigkeit weniger schnell abnimmt als bei einem SWIR-basierten System. Dies sorgt für eine gleichmäßigere Leistungsfähigkeit bei allen Wetterverhältnissen.

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Vergleich Lidar-basierter Methoden zur Tiefenerfassung.
© ON Semiconductor

Aus diesem Grund wird NIR allgemein als die bevorzugte Wellenlänge für Fahrzeug-Lidar angesehen, was den Einsatz von Bausteinen auf Siliziumbasis im Gegensatz zu teureren Materialien wie InGaAs ermöglicht. Zudem sind Bauelemente von mehreren Lieferanten erhältlich. Während sowohl NIR als auch SWIR einen augensicheren Betrieb ermöglichen, kommen im NIR-Bereich Laser mit geringerer Leistung zum Einsatz, die dennoch die Lidar-Anforderungen für Fahrzeuge erfüllen.
Aus kommerzieller Sicht, die in Automotive-Anwendungen immer eine wichtige Rolle spielt, ist NIR deutlich kostengünstiger. Eine Umfrage von IHS Markit aus dem Jahr 2019 ergab für Laser und Detektoren Kosten von etwa 4 bis 20 US-Dollar pro Kanal, während die Kosten pro Kanal für ein vergleichbares SWIR-System bei etwa 275 US-Dollar liegen. Selbst bei weiterer Entwicklung und höheren Stückzahlen geht die Prognose dahin, dass NIR nach wie vor zwischen 10- und 100-mal kostengünstiger sein wird als SWIR.

Lidar-Bauelemente im Detail

Einer der wichtigsten Bestandteile eines Lidar-Systems ist das Sensorelement, das das reflektierte Laserlicht erfasst und quantifiziert. Hierfür eignen sich mehrere Technologien, wobei SiPMs (Silizium-Photomultiplier) die beste Leistungsfähigkeit bieten – vor allem aufgrund ihrer Fähigkeit, einzelne Photonen zu erfassen, was auf ihre hohe Verstärkung in der Größenordnung von 1.000.000 zurückzuführen ist. Daher wurden SiPMs in den letzten Jahren immer häufiger eingesetzt und sind zum Sensor der Wahl für An-wendungen mit Lidar-Tiefenerfassung geworden. Diese Bauelemente bieten die beste SNR-Leistungsfähigkeit für große Entfernungen bei hohem Kontrast – im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren wie Avalanche-Photodioden (APDs), die eine viel geringere Verstärkung aufweisen und die eingehenden Signale integrieren müssen. Zusätzliche Vorteile, wie die geringere Versorgungsvorspannung, bessere Homogenität und geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen machen SiPMs zu einem idealen Upgrade für Systeme, die APDs verwenden. Die höhere Empfindlichkeit von SiPMs ermöglicht auch kleinere Optiken, was die Lidar-Integration in Fahrzeuge vereinfacht. Da SiPMs in einem CMOS-Prozess für hohe Stückzahlen hergestellt werden, sind sie zudem kostengünstig.

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Der Autor: Joseph Notaro ist Vice President Worldwide Automotive Strategy and Business Development bei ON Semiconductor.
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Das Array RDM-0112A20-QFN von ON Semiconductor beispielsweise ist ein monolithisches 1×12-Array aus 0,47 mm x 1,12 mm großen SiPM-Pixeln, das im proprietären RDM-SiPM-CMOS-Prozess gefertigt wird. Dieser wurde speziell entwickelt, um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber NIR-Licht zu ermöglichen. Damit ergibt sich eine Photonen-Detektionseffizienz (PDE) von 18,5 % bei Wellenlängen von 905 nm. Bei dieser Wellenlänge ist die Empfindlichkeit größer als 100 kA/W. Die hohe interne Verstärkung des SiPM ermöglicht eine Empfindlichkeit bis in den Einzelphotonenbereich, was zusammen mit der hohen PDE die Erkennung schwächster Rücksignale ermöglicht. Dies führt zu Lidar-Systemen, die auch bei schwach reflektierenden Zielen über größere Entfernungen arbeiten können. Das Array befindet sich in einem robusten 10 mm x 5,2 mm QFN-Gehäuse, das den Zugriff auf die zwölf einzelnen Pixel ermöglicht. Es wurde gemäß IATF 16949 speziell für Lidar-Systeme im Automotive-Bereich entwickelt (einschließlich Flash-, mechanisches oder MEMS-Scanning-Lidar) und verfügt über AEC-Q102-Zulassung.


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