05.01.2021

Mikroscanner ersetzt Auge

Prototyp scannt Umgebung dreidimensional mit einer hohen Reichweite.

In autonomen Fahrzeugen wird künftig die Technik das Lenkrad übernehmen, der Mensch ist nur noch Mitfahrer. Doch damit man sich entspannt zurück­lehnen kann, bedarf es hoher Sicherheits­standards. Das Auto muss eigenständig Hindernisse und Gefahren erkennen und im Notfall rechtzeitig bremsen. Ein neuer Mikroscanner­spiegel des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden scannt die Umgebung drei­dimensional und erfasst Reichweiten von über 200 Metern. Eingebaut in ein Lidar-System ersetzt er das menschliche Auge und trägt entscheidend zum sicheren autonomen Fahren bei.

Abb.: Die in Lidar-Sensoren einge­setzten MEMS-Scanner ermöglichen Fahrzeugen...
Abb.: Die in Lidar-Sensoren einge­setzten MEMS-Scanner ermöglichen Fahrzeugen die drei­dimensionale Wahr­nehmung der Umgebung. (Bild: Fh.-IPMS)

Bereits heute unterstützen zahlreiche Fahrerassistenz­systeme den Autofahrer. In den nächsten Jahren werden Notfallsysteme wie der Ausweich­assistent in Neuwagen verpflichtend installiert sein und den Weg zum autonomen Fahren ebnen. Doch auch in den kommenden Fahrzeug­generationen muss der Mensch die Umgebung im Auge behalten und in Gefahrensituationen reagieren. Dies soll sich künftig durch Lidar-Systeme ändern, welche die Entfernung zwischen Fahrzeug und Objekt messen. Sie erkennen die Umwelt und ersetzen das Auge des Fahrers. Sie stellen einen entscheidenden Baustein auf dem Weg zum sicheren autonomen Fahren dar. Ein Forscherteam am Fraunhofer IPMS in Dresden 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. „Mit unserer Technologie­plattform können wir den jeweiligen Designbedürfnissen für die Entwicklung von Mikroscannerspiegeln für Lidar gerecht werden. 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“, sagt Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS.Im Detail findet dabei folgender Prozess statt: Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Microscanner­spiegel, 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 ge-scannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des Lidars darstellt.

Abb.: Der Mikroscanner­spiegel scannt die Umgebung drei­dimensional und...
Abb.: Der Mikroscanner­spiegel scannt die Umgebung drei­dimensional und erfasst Reich­weiten von mehr als 200 Metern. (Bild: Fh.-IPMS)

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. 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 bzw. Fahrers kann auf diese Weise die 3D-Messung im Infrarot-Bereich realisiert werden.

„Unsere 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. Wir bieten zusätzlich zu den Mikroscanner­spiegeln auch das erforderliche Packaging sowie die Antriebs­elektronik an. Dabei können alle Komponenten kundenspezifisch ausgeführt werden, um eine optimale Integration in die unter­schiedlichen Lidar-Systeme zu gewährleisten. Wir entwickeln beispielsweise auch MEMS-Scanner für Headmounted Displays oder Industrie­roboter“, sagt der Forscher.

Die Mikroscanner­spiegel arbeiten beispielsweise mit den für Lidar typischen Wellenlängen von 905 bis 1550 Nanometer und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Eingebaut in den Lidar-Sensor sind hohe Reichweiten von mehr als 200 Metern möglich. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den im Lidar-System eingesetzten MEMS-Scannern des Fraunhofer IPMS sind erfolgreich abgeschlossen. „Aktuell ist Lidar als Fahr­assistenzsystem zu sehen, das mehr Komfort und Sicherheit bietet. Autonomes Fahren wird in fünf Stufen gegliedert, in denen der Fahrer unterschiedlich ausgeprägt in das Fahrgeschehen eingreifen muss. Bis das vollautonome Fahren Realität wird, wird noch einige Zeit vergehen, aber mit unserer Technologie können wir das Thema vorantreiben“, sagt Grahmann. Im nächsten Schritt sollen die Mikroscanner­spiegel in einer größeren Stückzahl produziert und in die Großserie überführt werden.

Fh.-IPMS / JOL

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