Infrarotlicht-Anwendungen im Fokus
»Fundamentaler Wandel des Fahrzeuginnenraums«
Die steigende Autonomie der Fahrzeuge sorgt für einen Wandel im Autoinnenraum. Neben Funktion und Sicherheit geht es um die intuitive Interaktion mit dem Fahrzeug und um Reisekomfort. Infrarotes Licht spielt dabei eine zentrale Rolle. Doch welche Systemkomponente eignet sich für welche Anwendung?
Von Firat Sarialtun, Segment Manager in-Cabin Sensing bei ams Osram
Durch Megatrends wie das autonome Fahren, Konnektivität und Elektrifizierung wandelt sich das Auto vom reinen Fortbewegungsmittel zu einer mobilen Erweiterung unseres Wohnraums. Ähnlich wie in den eigenen vier Wänden spielen Aspekte wie Komfort, Unterhaltung und Gemütlichkeit eine besondere Rolle. Daher ist es ein zentrales Anliegen der Fahrzeughersteller, ihre Modelle ideal an diese veränderten Anforderungen anzupassen: von der Beleuchtung des Innenraums bis hin zur Interaktion mit dem Fahrzeug.
Biometrische Identifikation
Stellen Sie sich vor, Sie kommen schwer beladen mit Einkaufstüten aus dem Supermarkt. Gut, dass Ihr Auto Sie bereits aus einigen Metern Entfernung erkennt und den Kofferräum automatisch öffnet, damit Sie die Einkäufe schnell und ohne längere Anstrengung im Fahrzeug verstauen können. Was noch etwas nach Zukunftsmusik klingt, hält bald Einzug in erste Serienfahrzeuge. Dahinter steckt eine Anwendung, die bisher vor allem aus der Welt der Smartphones und Tablets bekannt war: die biometrische Identifikation. Diese Systeme analysieren einzigartige Merkmale des Nutzers, um ihn eindeutig zu identifizieren. Der sogenannte Iris-Scan, also das Auslesen des speziellen Musters der Iris, kam 2015 erstmals in einem Smartphone zum Einsatz. Etwas später folgten Gesichtserkennungssysteme, die sich auf bestimmte zweidimensionale Charakteristika wie den Abstand beider Augen zueinander konzentrierten.
2017 sorgten schließlich die ersten 3D-Gesichtserkennungssysteme für Aufsehen in der Branche. Als Sicherheitshürde werden hier markante, dreidimensionale Gesichtszüge des Nutzers herangezogen.
Technologien wie diese bieten unterschiedlichste Anwendungsmöglichkeiten für den Autoinnenraum. Neben der Entriegelung der Türen oder des Kofferraums können durch die Identifikation eines Nutzers eine Reihe personifizierter Einstellungen freigeschaltet werden – von der gewünschten Sitzposition über spezielle Lichtfarben bis hin zur automatischen Wiedergabe der Musik des Lieblingskünstlers. Vor allem die neugewonnene Fähigkeit zur Generierung von Tiefeninformationen markierte den entscheidenden Punkt für die jüngsten technologischen Fortschritte. Dieser Aspekt ist es auch, der neben der Nutzererkennung nun eine Tür zu zahlreichen weiteren Anwendungen aufstößt.
Entwicklungen im Bereich der Fahrerüberwachung
Es wird noch einige Jahre dauern, bis sich Fahrzeuginsassen während der Fahrt völlig anderen Dingen jenseits des Verkehrsgeschehens um sie herum widmen können. Doch schon heute genießen Fahrerassistenzsysteme immer mehr Aufmerksamkeit. Eine Untersuchung des Statistischen Bundesamtes kam zu dem Ergebnis, dass im Jahr 2019 menschliches Fehlverhalten in fast 90 Prozent der Fälle die Ursache für Verkehrsunfälle mit Personenschaden in Deutschland war. Müdigkeit am Steuer oder die Ablenkung des Fahrers – etwa durch die Nutzung eines Smartphones während der Fahrt – sind Beispiele, die verdeutlichen, wie wichtig Sicherheitssysteme wie die Fahrerüberwachung (sog. Driver-Monitoring-Systeme) sind. Ende 2019 beschloss die EU, dass diese Systeme ab 2022 in Neufahrzeugen mit einem bestimmten Level an Autonomie in Europa verpflichtend sind. Ab 2026 umfasst diese Regelung alle Neufahrzeuge im europäischen Markt, und auch in den USA kommt zunehmend Bewegung in die Diskussion.
In Anwendungen zur Fahrerüberwachung beleuchtet eine Lichtquelle das Gesicht des Fahrzeuglenkers mit für ihn unsichtbarem Infrarotlicht. Eine spezielle CMOS-Kamera – üblicherweise mit einer Auflösung von 1 bis 2 Megapixeln – zeichnet je nach Modell 30 beziehungsweise 60 Bilder pro Sekunde auf. Die aufgezeichneten Bilder werden von einem nachgelagerten System ausgewertet. Dabei wird beispielsweise die Blickrichtung des Fahrers oder auch die Häufigkeit des Lidschlusses analysiert. Das Sicherheitssystem kann mit diesen Informationen Rückschlüsse auf eine Ablenkung oder zunehmende Ermüdung des Fahrers ziehen, um den Fahrer mit entsprechenden Warnsignalen darauf hinzuweisen oder ihm zu empfehlen, eine Pause zu machen.
Abhängig vom Einbauort des Driver-Monitoring-Systems ändert sich das Field of View (FoV). Damit gemeint ist der meist rechteckige Bereich, den das System erfassen soll. Konsequenterweise müssen die einzelnen Bausteine dazu passen. Für die Lichtquelle bedeutet dies, den besagten Bereich möglichst hell und gleichmäßig auszuleuchten. Üblicherweise sind Systeme zur Fahrerüberwachung für ein Sichtfeld von 35 bis 40° vertikal und 45 bis 50° horizontal ausgelegt. Die Lichtquellen müssen eine konstante Beleuchtung dieses Bereichs mit rund 4 bis 5 W/m2 sicherstellen. Dieser Zielwert errechnet sich aus der durchschnittlichen Entfernung des Emitters zum Fahrer, die zwischen 40 und 110 cm liegen kann. Anders als bei Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 850 nm spielt der sogenannte „Red Glow“-Effekt – den das menschliche Auge als rotes Flackern wahrnehmen kann – bei 940-nm-Lichtquellen quasi keine Rolle. Zudem empfiehlt sich die Verwendung einer Kamera mit einer Integrationszeit zwischen 0,5 und 4 ms.
Die Oslon-Black-IRED-Familie von ams Osram umfasst ein breites Portfolio an Hochleistungs-Emittern, die ideal auf die beschriebenen Systemanforderungen abgestimmt sind. So erreicht die Oslon Black SFH 4725 AS A01 beispielsweise eine optische Leistung von bis zu 1970 mW im Dauerbetrieb. Systemhersteller können zwischen verschiedenen Abstrahlwinkeln wählen (50, 90, 120 und 150°). Die kompakten Abmessungen von 3,85 mm × 3,85 mm ermöglichen zudem besonders schlanke Systemdesigns.
Doch auch VCSEL (kurz für Vertical Cavity Surface Emitting Laser) bieten verschiedene Vorteile für Driver-Monitoring-Systeme. Sie kombinieren die Eigenschaften zweier Beleuchtungstechnologien: das einfache Packaging einer Infrarot-LED mit der spektralen Breite und Geschwindigkeit eines Lasers. Dank der geringen spektralen Breite von lediglich 1,5 nm fällt der beschriebene „Red Glow“-Effekt nochmal um den Faktor zwei bis drei geringer aus als bei einer IRED mit 940 nm. Systemhersteller profitieren dadurch von einer höheren Störfestigkeit gegenüber Sonnenlicht. Außerdem verfügen VCSEL über eine für Kameraaufnahmen optimierte Abstrahlcharakteristik. Genauer gesagt gleicht diese die Vignettierung der Kamera aus und macht dadurch den Einsatz eines Sekundärreflektors überflüssig.
Der Tara2000-AUT von ams Osram ist der erste AEC-Q102-qualifizierte VCSEL Flood Illuminator. Das 940-nm-Bauteil erzielt einen Spitzenwert in puncto optischer Leistung und ermöglicht dadurch, dass mehrere Emitter mit niedrigerer Leistung einfach ersetzt werden können. Systemhersteller sparen so nicht nur Bauraum, sondern profitieren durch die geringere Anzahl an Einzelkomponenten von einem deutlich vereinfachten und günstigeren Systemdesign. Die gleichmäßige Ausleuchtung des definierten Field of Illumination sorgt zudem für ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis und ermöglicht so hochwertige Aufnahmen für die Kameras. Dank verschiedener Optik-Optionen eignet sich der Tara2000-AUT neben Driver-Monitoring-Systemen auch für Anwendungen zur Überwachung und Kontrolle des Innenraums, den sogenannten In-Cabin-Monitoring-Systemen.
- »Fundamentaler Wandel des Fahrzeuginnenraums«
- „Blick in die Tiefe“ sorgt für zusätzliche Kontrolle
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