Lasergestützte Abstandsmessung Lidar auf dem Vormarsch

Solid-State-Lidar

Dieser Sammelbegriff bezeichnet alle Lidar-Technologien, bei denen das Licht nicht durch Motoren, sondern durch Halbleiter gelenkt wird. Tatsächlich sind die Entwicklungen in diesem Bereich schon weit fortgeschritten. Vor allem zwei Ansätze sind erfolgversprechend: Lidar mit Spiegeln und Optical Phased Arrays.

Lidars mit MEMS-Spiegeln nutzen mikroelektromechanische Matrizen aus mikroskopisch kleinen Spiegeln. Jeder davon hat eine Kantenlänge von nur wenigen Mikrometern. Sie werden durch die Kraftwirkungen elektrostatischer Felder bewegt und wechseln jede Sekunde mehrere tausend Mal zwischen zwei definierten Stellungen. Das Prinzip ist aus Anwendungen wie Scannerkassen oder DLP-Projektoren bekannt und die Bauteile können entsprechend günstig hergestellt werden. Die Anforderungen an Automobil-Lidars unterscheiden sich jedoch stark von solchen Standardanwendungen. Bei Langstrecken-Lidars muss zum Beispiel die Öffnung am Empfänger groß genug sein, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Auch das FOV dieser Technologie entspricht bisher nicht dem von Lösungen mit beweglichen Spiegeln. Bei einem Scanbereich >40° und einer ausreichend hohen Scanfrequenz über 100 Hz ist die Größe der Spiegel bei konventionellen MEMS-Scannern auf Durchmesser von 1 mm bis 4 mm beschränkt. Die ersten MEMS-Lösungen haben bereits die Forschungslabors verlassen und werden darauf getestet, ob sie den hohen Anforderungen der Automobilindustrie genügen.

Noch im Forschungsstadium befinden sich die sogenannten Optical Phased Arrays (OPA). Dabei wird bei jeder einzelnen Laserdiode einer Matrix die Phase des emittierten Lichts elek­tronisch so variiert, dass mit einem einzelnen Impuls ein größerer Bereich abgedeckt werden kann. Die rotierende Sende- und Empfangseinheit soll durch einen Silizium-Schaltkreis von wenigen Quadratmillimetern ersetzt werden. Um höhere Leistungen zu erreichen und ein weites FOV abzudecken, wird dabei mit Wellenlängen experimentiert, die weiter ins Infrarot-Spektrum reichen als die bisher üblichen 905 nm. Dieses Verfahren würde sich gut für Automotive-Anwendungen eignen. Allerdings werden durch die neuen Wellenlängen Komponenten wie InGaAs-Avalanchedioden oder Kameras nötig, die kostspieliger sind als aktuelle Lösungen und oft eine schwächere Performance bieten.

Diffuser Blitz

Große Hoffnungen setzt die Automobilindustrie in die Flash-Lidar-Technologie. Dabei wird der Laserstrahl diffus aufgeweitet, sodass er mit jedem Puls das gesamte FOV abdeckt. Das reflektierte Licht wird dann von einem Sensor-Array ausgewertet. Da der Laserstrahl nicht gesteuert oder gelenkt werden muss, ist diese Lösung relativ kostengünstig. Das diffuse Licht ist jedoch erheblich schwächer als ein gebündelter Strahl. Daher sind sehr empfindliche Sensoren erforderlich, die auch einzelne Photonen detektieren können – sogenannte Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPAD), die in einem Matrix-förmigen Array angeordnet werden. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme hat ein solches CMOS-SPAD-Array entwickelt, das seit vergangenem Herbst bei Laser Components erhältlich ist. Auf dieser Grundlage sind schon mittelfristig effiziente Flash-Lidar-Systeme für autonome Fahrzeuge denkbar.