Schwerpunkte

Infrarotlicht-Anwendungen im Fokus

»Fundamentaler Wandel des Fahrzeuginnenraums«

11. Juni 2021, 08:56 Uhr   |  Nicole Wörner


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

„Blick in die Tiefe“ sorgt für zusätzliche Kontrolle

Neben der Überwachung des Fahrers hilft Infrarotlicht dabei, die aktuelle Sitzposition der Fahrzeuginsassen zu bestimmen und zu vermeiden, dass nichts versehentlich im Fahrzeug zurückgelassen wird. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Auto über ein Carsharing-Portal gemietet, bringen es zurück, sperren es ab und wollen gerade den Schlüssel wieder abgeben. Das sogenannte In-Cabin-Monitoring-System erkennt, dass Sie Ihre Tasche auf dem Rücksitz vergessen haben, und alarmiert Sie rechtzeitig über eine kurze Nachricht auf Ihrem Smartphone. Gleichzeitig helfen diese Systeme auch dabei, dass im Sommer bei besonders heißen Temperaturen vermieden wird, dass versehentlich ein Kleinkind oder ein Hund im Auto vergessen wird. Um verlässliche Informationen für diese Anwendungen zu generieren, bedarf es einer ausgeklügelten 3D-Time-of-Flight- (ToF) Anwendung.

Time-of-Flight-basierte In-Cabin-Monitoring-Anwendungen bestehen in der Regel aus einer PMD-Kamera, einem VCSEL als Infrarotlichtquelle und einem speziellen Detektor. Der VCSEL emittiert sein Licht aus hunderten einzelnen Aperturen rechtwinklig zur Chipoberfläche. Eine spezielle Optik bündelt das Licht in das Field of View. Vereinfacht gesagt schickt der VCSEL eine bestimmte Anzahl paralleler Lichtstrahlen in die Umgebung. Sobald einer davon auf ein Objekt im Fahrzeug trifft – sei es die Kopfstütze, der Kindersitz oder Ähnliches –, wird er reflektiert und vom Detektor erkannt. Mithilfe der Zeit, die der Lichtstrahl von der Lichtquelle zum Objekt und wieder zurück benötigt, lässt sich die Entfernung berechnen. Zusammen mit den Informationen, die die weiteren Aperturen liefern, entsteht so ein hochauflösendes 3D-Bild mit entsprechenden Tiefeninformationen. Eine nachgelagerte Software kann dann aus diesen Messergebnissen bestimmen, um welches Objekt es sich handelt. Je nach Einbauort sind auch bei In-Cabin-Monitoring-Systemen verschiedene Fields of View nötig – typischerweise 110 bis 160° horizontal und 80 bis 100° vertikal. Diese Systeme sind meist zentral im Fahrzeug im Dach integriert, um möglichst den kompletten Innenraum erfassen zu können.

Osram
© Osram

Gestensteuerung ist einer von mehreren Bausteinen intuitiver Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug.

Gestensteuerung für die Interaktion mit dem Fahrzeug

Infrarot-LEDs und -VCSEL haben je nach finalem Produkt ihre Vorzüge. Diese werden bei der Betrachtung von Anwendungen zur Gestensteuerung besonders deutlich. Einfachere Systeme greifen üblicherweise auf diskrete Bauteile wie einen separaten Emitter und Detektor zurück. Mit deren Hilfe können bereits einfache Gesten und Bewegungsabläufe erkannt werden. Damit das Licht einer IRED gleichmäßig im definierten Field of View ankommt, ist es nötig, es mithilfe einer speziellen Sekundäroptik zu bündeln. Die zusätzliche Optik sorgt allerdings für einen etwas größeren Platzbedarf. Die Oslon Piccolo von ams Osram stellt mit ihren kompakten Abmessungen von nur 1,6 mm × 1,6 mm und ihrer beachtlichen Leistung von 1,15 W bei 1 A eine sehr gute Lösung dieses Problems dar. Auch die IREDs der Oslon-Black-Familie erfüllen die strengen Anforderungen für den Automotive-Einsatz mühelos. Mit Standard-Elektronik können sie außerdem mit etwa 30 MHz geschaltet werden – was für einfache Gestenerkennungssysteme völlig ausreichend ist.

Die speziellen Eigenschaften der VCSEL wie etwa die extrem schnellen Schaltzeiten von bis zu 100 MHz ermöglichen 3D-iToF-basierte Produkte, die auch deutlich komplexere Bewegungen und Gesten des Fahrers dreidimensional erkennen und verarbeiten können. Auch in diesem Zusammenhang ist die Generierung von Tiefeninformationen essenziell. Üblicherweise sind Systeme zur Gestenerkennung im Gehäuse eines Displays integriert, da normalerweise die Interaktion mit der Hauptbedieneinheit des Fahrzeugs im Fokus steht.

Ausblick

In wenigen Jahren werden die Fahrerkabinen unserer Autos ein grundlegend anderes Erscheinungsbild haben als heute. Es wird spannend sein zu sehen, welche Anwendungen und Ansätze sich etablieren und welche eventuell schnell wieder verschwinden. Die breite Akzeptanz der Endverbraucher wird in diesem Zusammenhang eine zentrale Rolle spielen. Blickt man auf die verschiedenen Auswahlmöglichkeiten bei Infrarotlichtquellen, Sensoren und anderen Bauteilen, ist es letztendlich die Entscheidung der Systemhersteller, welche Technologien am besten zu ihrer Systemarchitektur passen. Abhängig von der jeweiligen Fahrzeugklasse werden auch die Anforderungen hinsichtlich der Komplexität der Systeme durchaus unterschiedlich ausfallen – ein klarer Vorteil für Hersteller wie ams Osram, die mit ihrem breiten Portfolio und mit allen zentralen Emitter-Technologien und Leistungsklassen jeden dieser Ansätze bedienen können.

Kurz erklärt
Time of Flight (ToF) – direct und indirect (dToF und iToF)
Beim Time-of-Flight-Ansatz nutzen die Systemhersteller die Lichtgeschwindigkeit für die Generierung von Tiefeninformationen. Vereinfacht gesagt wird ein Lichtpuls in die Umgebung geschickt. Trifft er auf ein Objekt, wird er reflektiert und schließlich vom Detektor registriert. Mithilfe der Dauer, die der Lichtstrahl zum Objekt und zurück benötigt, kann die Entfernung des Objekts bestimmt werden. Hierbei spricht man von Direct Time of Flight (dToF), weil die exakte „Flugzeit“ des Lichtstrahls relevant ist. Ein Beispiel für eine klassische dToF-Anwendung sind Lidar-Systeme für autonome Fahrzeuge.

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Beim Time-of-Flight-Ansatz wird die Lichtgeschwindigkeit für die Generierung von Tiefeninformationen genutzt.

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Beim Indirect-ToF-Ansatz wird das Licht der Lichtquelle mithilfe eines Diffusors aufgeweitet und gepulst ins definierte Field of View emittiert.

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Vergleich der Eigenschaften von IREDs und VCSEL-Arrays. Je nach Einbauort sind auch bei In-Cabin-Monitoring-Systemen verschiedene Fields of View nötig.

Der Indirect-Time-of-Flight- (iToF) Ansatz ist ähnlich, allerdings weist er einen wesentlichen Unterschied auf. Das Licht der Lichtquelle (i.d.R. ein IR-VCSEL) wird mithilfe eines Diffusors aufgeweitet und gepulst (50 % Duty Cycle) ins definierte Field of View emittiert. Im nachgelagerten System ist eine Art Standardsignal hinterlegt, das den Detektor innerhalb einer bestimmten Zeit auslöst, wenn das Licht auf kein Hindernis trifft. Unterbricht ein Objekt dieses Standardsignal, kann das System aufgrund der dadurch entstehenden Phasenverschiebung und der zeitlichen Verzögerung der Impulsfolge die Tiefeninformation pro definiertem Pixel des Detektors ermitteln.

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1. »Fundamentaler Wandel des Fahrzeuginnenraums«
2. „Blick in die Tiefe“ sorgt für zusätzliche Kontrolle

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