Solid-State-Lidar

Kostengünstig, leistungsstark, skalierbar

27. Januar 2023, 12:39 Uhr | Iris Stroh

Es gibt viele Unternehmen, die an einer Lidar-Technik für Automotive-Anwendungen arbeiten, der richtige Durchbruch fehlt aber bislang. Opsys Technologies ist überzeugt, dass das Unternehmen mit seinem Solid-State-Lidar auf Basis von Halbleitertechnologien genau das schaffen kann.

Eitan Gertel, Executive Chairman des Board of Directors von Opsys Technologies, ist überzeugt, dass die Solid-State-Lidar-Technik endlich genau die Ansprüche erfüllt, die für einen Erfolg im Automotive-Markt entscheidend sind: kostengünstig, skalierbar, leistungsstark und zuverlässig.

Und genau das fehlt seiner Meinung nach den bisherigen Lidar-Sensoren. In diesem Zusammenhang verweist er beispielsweise auf Flash-Lidar-Sensoren, die mittels eines einzelnen Laserpulses die gesamte Fläche gleichzeitig beleuchten. »Die Leistungsdichte ist aber begrenzt, folglich ist bei dieser Technologie die Reichweite typischerweise auf 50 m begrenzt, und auch wenn diese Technologie schon seit Langem entwickelt wird, weiß mittlerweile jeder, dass damit die Anforderungen im Automobilbereich nicht erfüllt werden können«, so Gertel weiter. Scanning-Lidar-Sensoren können zwar die Leistungsdichte pro Pixel erhöhen, allerdings bemängelt Gertel in diesem Fall die Art und Weise, wie der Laserpuls über das zu erfassende Bildfeld gelenkt wird.

»Typischerweise kommen hier MEMS, Prismen oder Galvanometer zum Einsatz, um den Laserpuls über das Sichtfeld zu lenken. All diese Ansätze haben einen gemeinsamen entscheidenden Nachteil: Sie nutzen bewegliche Teile, was die Zuverlässigkeit beispielsweise aufgrund von Alterungserscheinungen verringert und die Komplexität in der Produktion erhöht. Außerdem muss man bei solchen Systemen auch immer hinterfragen, wie schnell sie sind.«

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Halbleitertechnologien überwinden bisherige Einschränkungen

Der Lidar-Sensor von Opsys hingegen wird mithilfe von Halbleitertechnologien realisiert, »ganz ohne bewegliche Teile«, betont Gertel noch einmal. Als Laserquelle setzt das Unternehmen auf VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) mit einer Wellenlänge von 905 nm, also Laser, bei denen das Licht senkrecht zum Wafer emittiert wird. Das hat mehrere Vorteile. Zum einen können ganz viele Laser nebeneinandergesetzt werden.

Zum anderen sind diese Laser deutlich einfacher zu produzieren und damit auch deutlich kostengünstiger als kantenemittierende Laser, die das Licht parallel zur Oberfläche des Wafers emittieren. Denn bei kantenemittierenden Lasern muss der Wafer in einzelne Chips getrennt werden. Gertel: »Dieser Prozess kostet viel Geld, verbraucht eine große Wafer-Fläche und weist eine geringe Fertigungsausbeute auf, irgendetwas zwischen 9 und 15 Prozent. Mit VCSELs liegt die Ausbeute bei 95 Prozent und mehr.«

In den zweidimensionalen VCSEL-Arrays mit Tausenden von VCSELs kann jeder Laser einzeln adressiert werden, das heißt, dass mit der schrittweisen Adressierung der einzelnen VCSELs, also Ein- und Ausschalten der Laser, ein Scanning des gesamten Sichtfelds erreicht wird, ohne bewegliche Teile – quasi eine Kombination aus Flash- und Scanning-Lidar, vorausgesetzt, es passiert schnell genug. Gertel: »Wir scannen das gesamte Sichtfeld mit 1000 Bildern pro Sekunde und liefern eine Punktwolke mit 30 Frames/Sekunde.« Da diese Datenmenge extrem groß ist, hat Opsys auch noch die Möglichkeit, aus den einzelnen Werten Mittelwerte zu erstellen und damit »die Signalintegrität deutlich zu erhöhen«, so Gertel weiter. Auch dies ist seiner Aussage nach wichtig, denn neben Reichweite und Auflösung ist auch die Entwicklungswahrscheinlichkeit entscheidend.

»Es bringt wenig, wenn ich ein Lidar einsetze, das eine Reichweite von 300 Meter hat, aber eine Entdeckungswahrscheinlichkeit von 40 Prozent, das ist nutzlos. Denn bei dieser Entdeckungswahrscheinlichkeit werde ich einerseits eine Menge falscher Alarme auslösen, andererseits aber auch eine Menge Dinge übersehen«, so Gertel. Opsys hingegen kommt laut Gertel auf eine »Entdeckungswahrscheinlichkeit von über 90 Prozent bei voller Reichweite.« Außerdem nutzt Opsys seine patentierte Multi-Wellenlängen-Technologie. Sie ermöglicht den störungsfreien Betrieb mehrerer Sensoren bei gleichzeitiger Maximierung der Abtastrate und Eliminierung toter Zonen im Sichtfeld. Eine Steuereinheit integriert dann die Daten von allen Basissensoren, um eine einzige 4D-Punktwolke zu liefern.

Die 900-nm-VSCELs haben noch einen anderen Vorteil: Das Unternehmen kann SPADs (Single Photon Avalanche Photodiodes) für die Detektion nutzen. Beim Fraunhofer IMS heißt es: »Im Vergleich zu herkömmlichen Photodioden arbeiten SPADs oberhalb des Durchbruchs im sogenannten Geiger-Modus. Dadurch können die Dioden auch bei geringer Intensität des detektierten Lichts ein deutlich größeres Ausgangssignal erzeugen. Da der für die Signalverstärkung verantwortliche Avalanche-Effekt sehr schnell ist, liegt die zeitliche Auflösung von SPADs im Pikosekundenbereich. Daher werden SPADs in Photonen-Time-of-Arrival-Messungen und Direct-Time-of-Flight-Systemen häufig eingesetzt.«

Mit diesen Technologien erreichen die Lidar-Sensoren von Opsys nicht nur eine hohe Scanrate, sondern auch eine Auflösung von 0,1 × 0,1 Grad und eine Reichweite von 300 m, bei einer Reflektivität von 10 Prozent.