Blickfeld-Solid-State-Technologie – LiDAR für den Massenmarkt

Bisher waren LiDAR-Systeme nicht performant und robust genug und vor allem zu teuer für den Masseneinsatz in der Automobilindustrie. Die Blickfeld-Technologie setzt auf MEMS-Siliziumkomponenten und hochautomatisierte Fertigung – und bereitet so dem autonomen Fahrzeug den Weg.

Als System zur Messung von Emissionen in der Atmosphärenforschung oder zur Fernerkundung in der Archäologie – LiDAR-Technologie kommt bereits seit Jahrzehnten in verschiedenen Bereichen erfolgreich zum Einsatz. Das Problem vieler heutiger LiDAR-Systeme: Die eingesetzte Mechanik ist empfindlich gegenüber rauen Umweltbedingungen wie Erschütterungen, Vibrationen, Hitze und Kälte. Und noch viel wichtiger: LiDAR-Sensoren sind heute weder massenhaft noch zu erschwinglichen Preisen verfügbar. Ein großes Problem für die Automobilindustrie, die händeringend nach leistungsfähigen LiDAR-Systemen mit robustem und produktionsskalierbarem Design sucht: Diese Technik wird für die autonomen Autos von morgen benötigt. Experten erwarten, dass zukünftig gleich mehrere solcher robusten LiDAR-Sensoren je Auto verbaut sein werden.

Blickfeld MEMS LiDAR

Das Ziel von Blickfeld ist es, LiDAR-Produkte zu entwickeln, die leistungsfähig und robust genug für den Einsatz im Automobil sind und problemlos in hohen Stückzahlen hergestellt werden können. Technologisch setzt Blickfeld bei der Strahlablenkungseinheit an. Klassische mechanisch drehende Konzepte sind komplex im Aufbau und in der Fertigung, was zu großen Abmessungen und einem hohen Preis führt. Andere Technologien und Bauarten wie beispielsweise Optical-Phased-Array- und Flash-LiDAR haben zwar durchaus das Potenzial, dass sie deutlich weniger Bauraum benötigen und günstiger produziert werden können, befinden sich aber noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung oder haben systembedingte Nachteile, etwa eine sehr begrenzte Reichweite. Eine vielversprechende Lösung sind dagegen MEMS-Spiegelbasierte LiDAR-Sensoren. Ihre Siliziumbauweise ist bereits deutlich fortgeschritten und in vielen Anwendungen erfolgreich in Verwendung. Zudem kommt die MEMS-Technologie ohne rotierende Bauteile aus und ist daher viel robuster und langlebiger als die mechanischen LiDAR-Systeme. Auf dem Markt verfügbare MEMS-Spiegel zur Ablenkung der Laserstrahlen haben allerdings kleine Spiegelgrößen und kleine Ablenkwinkel. Ihre Leistung in Bezug auf die Reichweite und das abgedeckte Sichtfeld ist daher eingeschränkt.

Die Blickfeld-MEMS-Technologie ist speziell auf maximale Reichweite und ein großes Sichtfeld optimiert und hat daher keine der genannten Limitationen. Der Blickfeld-MEMS-Spiegel kann mit großzügigen Abmessungen von mehr als 10 Millimetern Spiegeldurchmesser einen hohen Anteil an einfallendem Licht auf den Fotodetektor lenken. So erkennt der Blickfeld LiDAR in mehr als 150 Metern Entfernung noch sicher schwach reflektierende Objekte. Parallel dazu erreicht der MEMS-Spiegel auch eine große Auslenkung, was einen Scanwinkel von 120 x 30°und damit ein breites Sichtfeld ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Technologie: Das vom Laser ausgesendete und vom MEMS-Spiegel auf die Szenerie abgelenkte Licht wird nach der Reflexion an den Objekten im Feld auf einem optisch nahezu identischen Weg zurück auf den Detektor geleitet: Damit werden Lichtphotonen nur aus exakt derjenigen Richtung eingesammelt, in welche der Laser gesendet hat. Dieser sogenannte koaxiale Aufbau hat eine räumliche Filterwirkung zur Folge, welche wiederum das Hintergrundlicht, etwa durch Sonne oder andere LIDARs, minimiert. So erreicht die Blickfeld-Technologie ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis, was der Reichweite zugutekommt.

HD Punktwolke aufgezeichnet mit dem Blickfeld Cube

Hergestellt werden die Blickfeld-MEMS-Spiegel mit kostengünstigen photolithographischen Produktionstechniken, die höchste Präzision bei extremer Skalierbarkeit ermöglichen: Aus einem Standard-Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 200 Millimetern entstehen hochautomatisiert hunderte MEMS-Bauteile gleichzeitig. Die in der Halbleiterindustrie bereits seit Jahrzehnten erprobte und etablierte Standardmethode macht die Blickfeld-Technologie perfekt geeignet für den Massenmarkt. Die einfache, robuste Bauweise des Blickfeld-MEMS-Spiegels und die hohe Funktionalität reduzieren auch deutlich die Komplexität des LiDAR-Gesamtdesigns: Neben verschiedenen am Markt verfügbaren speziellen Laser- und Detektoreinheiten kann Blickfeld auch mit zuverlässigen und erprobten optischen Standardkomponenten arbeiten. Alle diese Vorteile fließen nun in dem ersten Serienprodukt zusammen: dem Blickfeld Cube – einem integrierten, hochauflösenden 3D-LiDAR-Modul.

Der Blickfeld Cube

Für den Cube hat Blickfeld es sich zum Ziel gesetzt, insbesondere die Parameter Leistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit zu optimieren. Daher setzt Blickfeld auf Laserdioden mit einer Wellenlänge von 905 Nanometern als Emitter und Silizium-Photomultiplier (SiPMs) als Detektoren, die einzelne Photonen nachweisen können. Diese Komponenten wurden ausgiebig getestet, werden bereits jahrelang millionenfach in diversen Geräten eingesetzt und sind daher äußerst zuverlässig. Um die hohen Qualitäts- und Mengenanforderungen zu erfüllen, wird der Cube auf einer hochautomatisierten Fertigungslinie produziert. Das Systemdesign des 3D-LiDAR-Moduls ist dabei so ausgelegt und optimiert, dass ähnliche Werkzeuge wie bei der hochstandardisierten Produktion von Fahrzeugkameras eingesetzt werden können. Im Endausbau beträgt die Produktionskapazität pro Linie mehr als 100.000 Cube-Einheiten pro Jahr. Mit dem Blickfeld Cube wird ab Mitte dieses Jahres das erste Blickfeld-Produkt kommerziell verfügbar sein.