Mithilfe des in Lidar-Sensoren eingesetzten MEMS-Spiegels können Fahrzeuge ihre Umgebung dreidimensional wahrnehmen.

Bild: Fraunhofer IPMS

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MEMS-Scanner Mikrospiegel erhöht Sicherheit beim Autofahren

04.01.2021

In Zukunft soll der Mensch im Straßenverkehr nur noch Beifahrer sein, das Steuer übernehmen dann autonome Technologien. Zu diesen Systemen zählt auch ein neuer Mikroscannerspiegel, der die Umgebung auf mehreren hundert Metern nach Gefahren absucht.

Fahrerassistenzsysteme unterstützen bereits heute zahlreiche Autofahrer. In den nächsten Jahren werden Notfallsysteme wie der Ausweichassistent in Neuwagen verpflichtend sein. Doch auch in den kommenden Fahrzeuggenerationen muss vorerst noch der Mensch bei Gefahrensituationen reagieren.

Dies soll sich künftig durch Lidar-Systeme ändern. Sie messen die Entfernung zwischen Fahrzeug und Objekt, erkennen die Umwelt und ersetzen gewissermaßen die Augen des Fahrers. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS hat nun mit einem neuartigen Mikroscannerspiegel eine wichtige Komponente für solche Systeme entwickelt. Das Unternehmen AEye verwendet das Bauteil bereits in seinem Lidar-Sensor 4Sight.

Funktionsweise des Spiegels

„Lidar-Systeme können die Umgebung dreidimensional erfassen und sind so in der Lage, Fußgänger, Radfahrer oder andere Fahrzeuge zu detektieren“, erklärt Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS. „Dabei verteilt unser MEMS-Spiegel Laserstrahlen in zwei Dimensionen und bündelt das Licht in der aktuell gemessenen Position. Mit der Laufzeit des reflektierten Lichts wird die Entfernung zum Objekt als dritte Dimension gemessen.“

Im Detail findet dabei folgender Prozess statt: Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Mikroscannerspiegel, der sich auf der Sendeeinheit des Lidar-Systems befindet. Der Spiegel scannt die Szenerie zweidimensional ab. Die dritte Dimension wird anhand des vom Objekt reflektierten Lichts von einem Lidar-Sensor auf der Empfangsseite eingefangen.

Dabei gilt: Je mehr Licht auf dem Sensor auftrifft, desto genauer lässt sich die Entfernung bestimmen – eine Aufgabe, die ein Auswertealgorithmus übernimmt. Die Abstandsinformation für jede gescannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des Lidars darstellt.

Ermüdungsfrei, schock- und temperaturstabil

Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Der Vorteil dieses Materials: Es ist ermüdungsfrei, robust und zeichnet sich durch hohe Schock- und Temperaturfestigkeiten aus.

Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, die die Reflektion des Lichts verstärkt. Mittels einer in den Chip integrierten Positionsdetektion lässt sich zu jedem Zeitpunkt bestimmen, wo der Spiegel das Laserlicht hinlenkt und welche Position im Bild gemessen wird. Dies wiederum ermöglicht Korrekturen des Arbeitspunkts.

Im Fahrzeug befindet sich der Lidar-Sensor in der Regel hinter dem Rückspiegel und scannt die Szenerie direkt durch die Frontscheibe. Neben der normalen Wahrnehmung durch das Auge des Passagiers beziehungsweise Fahrers kann auf diese Weise die 3D-Messung im Infrarot-Bereich realisiert werden.

Erste Fahrtests absolviert

„Unsere MEMS-Spiegel sind typischerweise bis zu etwa 5 mm groß“, sagt Fraunhofer-Forscher Grahmann. Größere Spiegel seien in Spezialfällen möglich, verlieren aber mit zunehmender Größe die Vorteile von MEMS. „Wir bieten zusätzlich zu den Mikroscannerspiegeln auch das erforderliche Packaging sowie die Antriebselektronik an. Dabei können alle Komponenten kundenspezifisch ausgeführt werden, um eine optimale Integration in die unterschiedlichen Lidar-Systeme zu gewährleisten. Wir entwickeln beispielsweise auch MEMS-Scanner für Head-Mounted Displays oder Industrieroboter.“

Die Spiegel arbeiten beispielsweise mit den für Lidar typischen Wellenlängen von 905 bis 1.550 nm und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Im Lidar-Sensor von AEye sollen etwa Reichweiten von über 200 m möglich sein. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den MEMS-Scannern wurden bereits erfolgreich abgeschlossen.

„Aktuell ist Lidar als Fahrassistenzsystem zu sehen, das mehr Komfort und Sicherheit bietet“, sagt Grahmann. Seiner Meinung nach wird noch einige Zeit vergehen, bis das Fahren vollautonom ist. „Aber mit unserer Technologie können wir das Thema vorantreiben.“

Bildergalerie

  • Der Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS soll im nächsten Schritt in größerer Stückzahl hergestellt werden.

    Bild: Fraunhofer IPMS

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