Bild: Osram Opto Semiconductors; iStock, Antonio_Diaz

Infrarot-LED-Technologie in Automobilanwendungen Aufgeweckte IRED-Sensoren

15.03.2018

Sensoren der neuesten Generation beschleunigen nicht nur die Entwicklung für (teil-)autonome Fahrzeuge, sondern sorgen auch für mehr Komfort und Sicherheit. Optoelektronik kommt dabei eine tragende Rolle zu. Sie sorgt für Wachstumspotenziale auf dem Automobilmarkt.

Für manche Menschen sind Autos ein Statussymbol, für andere ein reiner Gebrauchsgegenstand und wieder andere Menschen erleben sie als einen Ausdruck persönlicher Freiheit. Man kann ein Auto aber auch als mobile Technologieplattform sehen, anhand derer sich einige der wichtigsten Techniktrends für die nächsten Jahre erkennen lassen. Fahrzeughersteller sind häufig ganz vorne mit dabei, wenn es darum geht, die neuesten technologischen Möglichkeiten umzusetzen – nicht nur bei Motoren und Antriebstechnik, sondern auch in Bereichen wie Fahrsicherheit oder Komfort. Aktuelle Beispiele hierfür sind die adaptive Geschwindigkeitsregelung, die Pre-Crash-Sensorik oder Systeme zur Erkennung von Objekten im toten Winkel (Blind Spot Detection).

Viele dieser Anwendungen basieren auf moderner Licht­sensor-Technologie beziehungsweise Optoelektronik. So stand in jüngerer Vergangenheit immer wieder das Thema LiDAR (Light Detection and Ranging) im Fokus der Fachwelt. Außerdem lässt sich eine Vielzahl interessanter Entwicklungen und Fortschritte rund um den Einsatz von Photodetektoren und IREDs (Infrared Emitting Diodes) als Grundlage für Sensoren im Innen- und Außenbereich von Fahrzeugen beobachten. Mit Hilfe dieser Technik lassen sich die Risiken für Autofahrer, Fahrzeuginsassen und Fußgänger reduzieren. Zudem steigern sie das Fahrerlebnis und den Komfort.

Driver Monitoring

Ein Beispiel für ein Assistenzsystem, das sich Infrarotlicht in einer Kameraanwendung zunutze macht, ist das sogenannte Driver Monitoring, zu Deutsch Fahrerüberwachung. Dieses Hilfsmittel trägt zur Verbesserung der Verkehrssicherheit bei, vor allem zur Eindämmung der hohen Zahl von Unfällen, die durch übermüdete Fahrer beziehungsweise Sekundenschlaf verursacht werden. Die beim Driver Monitoring verwendete IRED-Technik leuchtet das Gesicht des Fahrers mit unsichtbarem Infrarotlicht aus. Dabei werden die Augen und die Blickrichtung mit einer CMOS-Kamera erfasst. So erkennt das System, wann der Fahrer müde wird, und warnt ihn rechtzeitig, bevor er am Steuer einschläft. Außerdem kann es seine Aufmerksamkeit auf den Verkehr zurücklenken, wenn er seinen Blick gerade nicht auf die Straße gerichtet hat, sondern beispielsweise mit dem Navi beschäftigt ist. Gerade im Hinblick auf zukünftige autonome und halbautonome Fahrzeuge sind solche Funktionen extrem wichtig, da das Auto in bestimmten Situationen den Fahrer alarmieren oder ihm rechtzeitig das Kommando zurückgeben können muss.

Leistungsstarke Emitter

Die Basis dieser Systeme bilden In-
frarot-Lichtquellen mit leistungsstarken Emittern, wie die Oslon-Produktserie von Osram Opto Semiconductors, die bis zu
2 W optischer DC-Leistung aufbringt. Dank der hohen Leistung und Effizienz dieser Emitter benötigen Systementwickler vergleichsweise wenige Bauteile, was die Lösungen kompakter und weniger aufwändig im Aufbau macht. Beleuchtungssysteme für den Außenbereich, wie Nachtsichtassistenz-Systeme, setzen IREDs mit einer Wellenlänge von 850 nm ein. Bei diesen Wellenlängen reicht die Empfindlichkeit einer CMOS-Kamera aus, um Reichweiten von bis zu 200 m zu erzielen. Das schwache rote Glimmen, das bei einer Lichtquelle im Bereich von 850 nm entsteht, stellt im Außenbereich kein Problem dar, da es bei der Integration in einen Scheinwerfer von dessen hellem, weißem Licht überstrahlt wird.

Bei Anwendungen im Fahrzeuginnenraum könnte dieser „red glow“ allerdings die Konzentration des Fahrers stören. Daher setzt man hier auf IREDs mit einer Wellenlänge von 940 nm, bei denen kein störendes Rotlicht mehr sichtbar wird. Wegen der reduzierten Empfindlichkeit der Kamerasensoren in diesem Wellenlängenbereich benötigt man typischerweise eine optische Leistung von 2 bis 4 W, was ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis unter allen Umgebungs-Lichtbedingungen sicherstellt. Besonders die Abendsonne, die einen hohen Infrarot-Anteil aufweist und in schrägem Winkel direkt auf das Gesicht des Fahrers scheint, kann das System störend beeinflussen.

Alles im Blick

Ein weiteres Beispiel für eine Sicherheitsfunktion im Auto, die auf unsichtbarem IR-Licht und einer CMOS-Kamera basiert, sind Passagier-Erkennungssysteme. Das System erkennt, welche Fahrzeugsitze belegt sind, und richtet die Sicherheitssysteme – beispielsweise die Airbagsteuerung – entsprechend der Größe und Sitzposition der Passagiere aus. Im Falle eines Unfalls können solche individualisierten Einstellungen Leben retten. Mit hochwertigen Fahrerüberwachungssystemen, die über eine integrierte Eye-Tracking-Funktion zur Erfassung der Blickrichtung des Fahrers verfügen, ließe sich auch eine Iris-Erkennung realisieren, mit deren Hilfe der Fahrer zuverlässig identifiziert werden kann.

Solch eine zusätzliche Personalisierung trägt neben dem Sicherheitsaspekt auch zum Komfort bei, da das Fahrzeug Sitze, Spiegel und weitere Systeme automatisch auf den jeweiligen Fahrer ausrichten könnte. Moderne Lichttechnologien verbessern nicht nur die Sichtbarkeit innerhalb des Fahrzeugs, sondern auch die Fahrzeug- und Verkehrssicherheit. So profitieren auch Nachtsichtassistenten oder die kamerabasierte Fahrzeugvorfelderkennung von der zunehmenden Effizienz moderner Hochleistungs-Infrarot-LEDs. Die Ausleuchtung der aufgenommenen Szenerie mit IR-Licht ermöglicht auch bei Dunkelheit oder schlechten Lichtverhältnissen eine zuverlässige Erkennung der Fahrzeugumgebung. Die höhere Leistung und die kompakten Maße moderner Hochleistungs-IREDs geben Scheinwerferdesignern völlig neue Freiheiten. Eine IRED wie die Synios SFH 4770S A01 von Osram Opto Semiconductors bietet im Vergleich zu bisher eingesetzten LED-Lösungen 25 Prozent mehr optische Leistung und benötigt mit ihrer Gehäuseabmessung von 2,75 mm x 2,0 mm x 0,6 mm nur eine sehr kleine Grundfläche. Die IRED liefert bei 1 A Strom knapp 1200 mW Leistung.

Auch Straßenkamerasysteme, die zum Lesen von Nummernschildern eingesetzt werden, profitieren von der hochleistungsfähigen Infrarot-LED-Technologie, da die Fehlerquote beim Auslesen von Informationen deutlich sinkt. Automatisierte Mautstellen könnten so beispielsweise zu einem reibungslosen Verkehrsfluss beitragen. Auch Schrankensysteme funktionieren auf diese Weise reibungsloser, wodurch sich lästige Wartezeiten für den Autofahrer verkürzen lassen. Für solche Anwendungen eignen sich besonders IREDs mit einer Wellenlänge von 810 nm, wie die neue SFH 4703AS von Osram Opto Semiconductors. Sie erreicht bei vielen Nummernschildern einen besseren Bildkontrast, wodurch das Auslesen der Kennzeichen vereinfacht wird.

Moisture Sensitivity Level

Ende 2017 stellte Osram Opto Semiconductors das erste SMT-Package für großflächige Photodioden-Chips vor, das die strengen Automotive-Anforderungen erfüllt und zugleich bis zu einer maximalen Betriebstemperatur von 125 °C freigegeben ist. Die gemäß AEC-Q101-C qualifizierten Photodioden SFH 2200 A01 und SFH 2200 FA A01 kommen beispielsweise in Regensensoren zum Einsatz. Bei den neuen Photodioden gelang es den Entwicklern, das Moisture Sensitivity Level (MSL) deutlich zu verbessern. Dieser Index gibt Auskunft darüber, wie schnell Feuchtigkeit in das Bauteil eindringt, was beim Löten Schäden verursachen kann.

Damit bleibt dem Kunden nach dem ersten Luftkontakt beim Entpacken mehr Zeit zum Verlöten des Bauteils. Der MSL der neuen Photodioden-Generation liegt bei 2, was bedeutet, dass die Komponenten noch bis zu ein Jahr nach dem Entpacken ohne Schäden auf einer Platine verlötet werden können. Vergleichbare Produkte haben einen MSL von 4, die Bauteile sollten also innerhalb von 72 Stunden verlötet werden. Das schafft deutlich größere Flexibilität bei den Arbeitsprozessen.

Bildergalerie

  • Beim Driver Monitoring leuchtet eine IRED das Gesicht des Fahrers aus, um wichtige Informationen wie die Kopfhaltung oder den Blickwinkel zu überwachen.

    Bild: Osram Opto Semiconductors

  • Die Photodiode SFH 2200 kommt beispielsweise in Regensensoren zum Einsatz.

    Bild: Osram Opto Semiconductors

  • Bild: Osram Opto Semiconductors

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