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Mehr Sicherheit beim autonomen Fahren

Neuartiger Spiegel ersetzt das menschliche Auge

14. Januar 2021, 09:38 Uhr   |  Kathrin Veigel

Neuartiger Spiegel ersetzt das menschliche Auge
© Fraunhofer IPMS

Die in Lidar-Sensoren eingesetzten MEMS-Scanner des Fraunhofer-Insituts IPMS ermöglichen Fahrzeugen die dreidimensionale Wahrnehmung der Umgebung.

Ein am Fraunhofer-Institut IPMS entwickelter Mikroscannerspiegel soll das autonome Fahren sicherer machen: Indem er die Umgebung dreidimensional scannen und Reichweiten von über 200 Metern erfassen kann, ermöglicht er es dem Fahrzeug, rechtzeitig Hindernisse zu erkennen und zu bremsen.

Auch wenn heutzutage zahlreiche Fahrerassistenzsysteme den Autofahrer unterstützen: Es ist immer noch der Mensch, der die Umgebung seines Fahrzeugs im Auge behalten und in Gefahrensituationen reagieren muss. Dies soll sich künftig durch Lidar-Systeme ändern, die die Entfernung zwischen Fahrzeug und Objekt messen. Sie erkennen die Umwelt und ersetzen das Auge des Fahrers – stellen also einen entscheidenden Baustein auf dem Weg zum sicheren autonomen Fahren dar.

Ein Forscherteam am Fraunhofer-Insitut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat nun mit einem neuartigen Mikroscannerspiegel eine wichtige Komponente für Lidar-Systeme entwickelt, die das digitale Sehen in drei Dimensionen ermöglicht. Das Bauteil trägt durch die Lenkung des Abtastlasers zur dreidimensionalen Vermessung der Umgebung bei.

Das Unternehmen AEye verwendet die Mikroscannerspiegel bereits: Der Spezialist für Lichterkennungs- und Entfernungsmesssysteme für autonome Fahrzeuge setzt die Mikroscannerspiegel in seinem Lidar-Sensor 4Sight ein. »Lidar-Systeme können die Umgebung dreidimensional erfassen und sind so in der Lage, Fußgänger, Radfahrer oder andere Fahrzeuge zu detektieren. 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«, erläutert Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS.

So funktioniert der Mikroscannerspiegel

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.

Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel
© Fraunhofer IPMS

Aufbau des vom Fraunhofer-Insitut IPMS entworfenen Mikroscannerspiegels

Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Der Vorteil des Materials: Es ist ermüdungsfrei und robust und zeichnet sich durch hohe Schock- und Temperaturfestigkeiten aus. Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, die die Reflektion des Lichts verstärkt. Dank 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.

3D-Messung im Infrarot-Bereich

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.

Die MEMS-Spiegel sind typischerweise bis zu etwa fünf Millimeter groß. Größere Spiegel sind in Spezialfällen möglich, verlieren aber mit zunehmender Größe die Vorteile von MEMS. Sie arbeiten mit den für Liidar typischen Wellenlängen von 905 nm bis 1550 nm und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Eingebaut in den Lidar-Sensor von AEYE sind hohe Reichweiten von mehr als 200 Metern möglich.

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