Osram Opto Semiconductors Opto-Sensorik im Automobil von heute und morgen

LiDAR-Systeme sind in der Lage, ein sehr genaues, dreidimensionales Bild der Fahrzeugumgebung zu generieren
LiDAR-Systeme sind in der Lage, ein sehr genaues, dreidimensionales Bild der Fahrzeugumgebung zu generieren

Lichtbasierte Anwendungen in Fahrzeugen helfen, Sicherheitsrisiken zu senken, bilden die Grundlage für autonomes Fahren und verbessern Fahrerlebnis und Komfort. Wie Sensorik und Optoelektronik die Zukunft der Automobilentwicklung mitgestaltet, beleuchten praktische Beispiele.

Von Dr. Walter Rothmund, Leiter Marketing Infrarot Automotive bei Osram Opto Semiconductors

Viele sicherheitsrelevante Systeme basieren auf Infrarot-Licht. Zu den Hauptanwendungen für Infrarot-LEDs (IREDs) im Automobilbereich zählen beispielsweise Kameralösungen zur Überwachung der unmittelbaren äußeren Fahrzeugumgebung. Dazu gehören Nachtsichtsysteme, Systeme für die Erkennung von Personen oder Objekten im toten Winkel (Blind Spot Detection) sowie einfache Pre-Crash-Sensorik und Lösungen für den Fußgängerschutz, die mit Kamerabildern arbeiten. Das Ausleuchten der Szenerie vor dem Fahrzeug mit Infrarotlicht ermöglicht es, die Fahrzeugumgebung auch bei Dunkelheit sicher zu erfassen. Hierbei können sowohl IR-Lichtquellen im Dauerbetrieb als auch gepulste Lichtquellen zum Einsatz kommen.

Systeme für den Exterior-Bereich von Fahrzeugen setzen üblicherweise IREDs mit einer Wellenlänge von 850 nm ein. Die Empfindlichkeit einer CMOS-Kamera reicht bei diesen Wellenlängen aus, um Reichweiten von bis zu 200 m zu erzielen. Das schwache rote Glimmen, das bei einer Lichtquelle im Bereich von 850 nm noch sichtbar ist, ist im Außenbereich beherrschbar, da Systeme, die in die Scheinwerfer integriert sind, durch deren helles, weißes Licht diesen sogenannten „red glow“ überstrahlen.

In den letzten Jahren haben sich Effizienz und Helligkeit dieser IRED-Lösungen stark verbessert. Gleichzeitig wurden die Größe der Komponenten und die Systemkosten kontinuierlich verringert. Neue Package-Konzepte für großflächige Hochleistungsemitter-Chips, die die strengen Automotive-Anforderungen erfüllen, erleichtern zusätzlich die Arbeitsprozesse. All diese  Entwicklungen haben maßgeblich dazu beigetragen, die Implementierung IRED-basierter Sicherheitssysteme im Automobilmarkt zu beschleunigen.

Die richtige Wellenlänge für den Innenraum

Infrarotlichtbasierte Sensor- und Sicherheitssysteme haben aber auch die Grundlage für Innovationen im Fahrzeuginneren geliefert. Die Beobachtung des Fahrers wird immer mehr zu einem zentralen Baustein heutiger Sicherheitsfunktionen. Ein Beispiel dafür ist das sogenannte „Driver Monitoring“ (DMS), das IREDs einsetzt, um das Gesicht des Fahrers mit unsichtbarem Infrarotlicht zu beleuchten. Eine CMOS-Kamera beobachtet dabei das Gesicht und die Augen des Fahrers und kann so feststellen, ob dieser müde oder abgelenkt ist. Auch im Hinblick auf zukünftige, autonome und halbautonome Fahrzeuge sind solche Funktionen besonders wichtig, denn das Auto muss in bestimmten Fahrsituationen die Möglichkeit haben, den Fahrer zu alarmieren oder ihm die Steuerung des Fahrzeugs zurückzugeben.

Im Fahrzeuginneren wird Infrarotlicht mit 940 nm verwendet, dessen Spektralbereich vom menschlichen Auge praktisch nicht mehr wahrgenommen wird. Während das rote Leuchten im Wellenlängenbereich unterhalb von 900 nm bei Systemen im Außenbereich unproblematisch ist, wäre es für Anwendungen im Fahrzeuginneren störend. 

Aufgrund der reduzierten Empfindlichkeit von Kamerasensoren im Wellenlängenbereich von 940 nm benötigt man typische optische Leistungen von 2 bis 4 Watt, um ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis für ein Driver-Monitoring-System unter allen Umgebungslichtbedingungen sicherzustellen. Die neueste Generation der Oslon Infrarot-Emitter von Osram ist neben einer entsprechenden Steigerung der optischen Leistung auch für möglichst hohe Pulsströme von bis zu 5 A optimiert. Aus der hohen Leistung und Effizienz ergibt sich der Vorteil, dass Entwickler von Beleuchtungslösungen vergleichsweise weniger Bauteile benötigen. Darüber hinaus liefert die neueste Generation dieser IREDs eine Auswahl von integrierten Linsen mit verschiedenen Abstrahlwinkeln, sodass in vielen Fällen sogar auf eine Sekundäroptik verzichtet werden kann. 

Ebenfalls besonders für Gesichtserkennung oder Driver Monitoring geeignet ist die neue Synios SFH 4775S A01. Die IRED mit einer Wellenlänge von 940 nm hat eine optische Leistung von 1720 mW bei 1,5 A, und ist für hohe Pulsbelastungen bis 5 A ausgelegt. Die kompakten Abmessungen von 2 mm x 2,8 mm x 0,6 mm ermöglichen Entwicklern zudem eine große Designfreiheit. Diese Power Emitter sind für Automotive-Anwendungen qualifizierte Lambert-Strahler mit Flachverguss, die Double Stack-Chiptechnologie sorgt dabei für hohe Leistung.