Im Herzen der Sensoren – MEMS-Technologie für LiDAR

„MEMS-basierte LiDAR-Sensoren sind zwar meist kostengünstig, haben aber eine zu geringe Reichweite für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen.“ Diesen Satz hört man oft. Wie wir ihn mit unseren Sensoren wirksam entkräftigen, wie wir die perfekte Spiegelgröße für unseren LiDAR gefunden haben und welche Faktoren dafür ausschlaggebend waren, erklärt dieser Blog-Beitrag.

Besonders für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen müssen LiDAR-Sensoren zwei grundlegende Anforderungen erfüllen: Zum einen müssen sie eine hohe Leistung bringen, bestehend unter anderem aus Sichtfeld und Reichweite. Zum anderen müssen sie skalierbar produzierbar sein, um in millionenfacher Anzahl in Fahrzeugen verbaut werden zu können. Diesen Herausforderungen begegnen LiDAR-Hersteller mit verschiedenen Ansätzen. Am verbreitetsten sind heute noch mechanische LiDAR-Systeme, deren Strahlablenkungseinheiten mechanisch mit Motoren angetrieben werden. Zwar decken diese Systeme ein breites Sichtfeld von bis zu 360° und eine hohe Reichweite ab, aber die Mechanik bedarf regelmäßiger Wartung, ist groß, schwer und teuer zu produzieren. Somit lösen mechanische LiDAR-Systeme nur eine der zwei großen Anforderungen, die an die Sensor-Industrie gestellt werden.

Ein weiterer Ansatz, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die MEMS (Microelectromechanical Systems)-Technologie. Hierbei werden die Komponenten in Silizium produziert, was den Vorteil der Skalierbarkeit hat: Die Bauteile können günstig und in großen Stückzahlen produziert werden, da die Technologie seit vielen Jahren erprobt ist. Sie wird unter anderem bei der Herstellung von Mikro-Sensoren angewandt.

Wie aber begegnen MEMS-basierte LiDAR-Systeme der Herausforderung einer hohen Reichweite?

Weitsicht mit Hilfe der richtigen Laserquelle

Damit autonome Fahrzeuge sich auch mit hohen Geschwindigkeiten fortbewegen können, müssen sie in der Lage sein, die Welt um sich herum zu „sehen“ und wahrzunehmen – und das nicht nur in nächster Nähe, sondern auch auf eine größere Distanz. Dies ist gerade bei Autobahnfahrten von großer Bedeutung, da sich die Fahrzeuge schneller bewegen und daher auch Gegenstände, Kurven oder andere Fahrzeuge in weiterer Entfernung zuverlässig erkannt werden müssen, um rechtzeitig reagieren zu können. Verbaute Sensoren benötigen also eine hohe Reichweite, um autonome Fahrten im Autobahntempo zu ermöglichen.

Um diese Reichweite mit einem LiDAR-Sensor zu erreichen, kann an verschiedenen Bauteilen des Geräts angesetzt werden: Es kann entweder am Aussenden (Emitter) oder am Einfangen (Detector) des Lasers optimiert werden.

Eine Stellschraube von LiDAR-Sensoren ist die Laserquelle. Hier stehen typischerweise, aber nicht ausschließlich, Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen zur Auswahl. Einige LiDAR-Hersteller setzen auf Faserlaser, die mit einer Wellenlänge von 1550 nm arbeiten. Diese Wellenlänge kann vom menschlichen Auge nicht mehr fokussiert werden und kann mit hoher Energie augensicher eingesetzt werden, was in einer größeren Reichweite resultiert – je mehr Energie eingesetzt wird, desto weiter „sieht“ das Gerät. Allerdings hat diese Art der Laserquelle einen entscheidenden Nachteil: 1550 nm Laser sind groß und aufwändig herzustellen, was zu höheren Preisen und großen LiDAR-Gehäuseabmessungen führt.

Daher werden in vielen LiDAR-Anwendungen Laserdioden eingesetzt, die Laserpulse mit einer Wellenlänge von 905 nm aussenden. Diese haben den entscheidenden Vorteil, dass sie sehr klein sind und bereits seit langer Zeit in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden. Dadurch sind die Dioden günstig und in großer Stückzahl auf dem Markt verfügbar. Allerdings definieren Augensicherheitsbestimmungen die Strahlstärke der Dioden, sodass die Leistung der Laserpulse geringer ist als bei 1550nm Lasern.

Auf der Suche nach der richtigen Spiegelgröße

Die Optimierung auf Emitter-Seite ist also begrenzt. Wie sieht es aus, wenn das Licht zurückkommt, auf der Detektor-Seite? Hier spielt die Apertur eine wichtige Rolle für eine hohe Reichweite. Sie beschreibt die Größe der Detektorfläche. Im Fall von unserem MEMS-basierten Aufbau entspricht die Apertur der Spiegelgröße. Um möglichst viel Licht aufzufangen, wird eine große Apertur, also ein möglichst großer Spiegel, benötigt. Die Spiegelgröße wird allerdings auch von bestimmten Faktoren begrenzt – es gilt also, die optimale Größe auf Basis dieser Faktoren zu berechnen. Hierzu müssen die zu empfangende Photonenzahl, die Kollimation, Ablenkwinkel und die Resonanzfrequenz betrachtet werden.

Photonenzahl

Zum einen hängt die Größe des Spiegels davon ab, wie viele Photonen ausgesendet werden müssen, damit eine ausreichende Anzahl an Photonen zurückkommt, um ein Objekt genau zu erkennen. Diese Mindestanzahl an Photonen lässt sich gemäß der Leistungsübertragungsbilanz, oder auch des Link Budgets, mit guter Genauigkeit berechnen. Hierbei wird mit einbezogen, wie viele Photonen auf die Distanz und durch wenig reflektive Oberflächen verloren gehen; zudem wird die homogene Streuung von Licht sowie die Detektoreffizienz beachtet. Auf diese Weise lässt sich abschätzen, wie viele Photonen ausgesandt werden müssen, also wie groß die Apertur sein muss, damit eine Mindestanzahl an Photonen wieder detektiert werden kann. Zudem sind Blickfeld-Sensoren koaxial aufgebaut, das heißt, dass nur das Licht wieder aufgefangen wird, das auf dem gleichen Weg zurückkommt, wie es ausgesandt wurde. Das hat den Vorteil, dass keine anderen Lichtsignale aufgenommen werden, die das Bild stören oder verfälschen.

Kollimation

Um möglichst hochaufgelöste Daten zu erhalten, die auch kleine Objekte zuverlässig identifizieren, muss der Laser gebündelt auf ein Objekt treffen. Diese Bündelung wird durch die Kollimation beschrieben. Erreicht wird diese, indem vor dem Laser eine Linse platziert wird. Nun kommt wieder die Spiegelgröße ins Spiel: Der Spiegel muss exakt so groß sein, dass er das gesamte Licht, das durch die Linse kollimiert wird, ablenken kann. Dies hängt von der Brennweite ab, die für eine optimale Kollimation und damit eine hohe Auflösung benötigt wird.

Resonanzfrequenz

MEMS-Spiegel schwingen mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. Hierzu werden sie mit Hilfe von integrierten Aktoren angestoßen, benötigen also keinen Motor oder andere mechanische Antriebe. Dies ist von Vorteil, da Motoren und sich bewegende Teile sich abnutzen und regelmäßig gewartet werden müssen. Diese Problematiken entfallen bei einem Anstoß durch integrierte Aktoren.

Die Resonanzfrequenz, mit der ein Spiegel schwingt, hängt von der Größe und Befestigung des Spiegels ab. Hierzu haben wir eine proprietäre Einbettung der Spiegel entwickelt, um besonders große Spiegel einsetzen zu können. Durch den außergewöhnlich hohen Durchmesser können besonders viele Photonen auf die Szene und zurück auf den Detektor gelenkt werden, wodurch Blickfeld LiDAR-Sensoren eine hohe Reichweite erzielen. Zudem sind die Spiegel dank ihrer Größe robuster als herkömmliche Produkte, die nur wenige Millimeter Durchmesser haben, und verfügen durch ihre Leichtbauweise dennoch über eine hohe Resonanzfrequenz. Diese sorgt dafür, dass die Photonen zurück auf den Detektor geleitet werden. Schwingt der Spiegel zu schnell oder zu langsam, werden die Photonen aufgrund des koaxialen Aufbaus am Detektor vorbei abgelenkt.

MEMS-Technologie speziell für LiDAR-Anwendungen

Die Spiegelgröße wird also von verschiedenen Faktoren bestimmt. Um einen hochperformanten LiDAR auf MEMS-Basis zu bauen, muss dieser Spiegel in seiner Beschaffenheit, Größe und Einbettung eigens entwickelt werden. Nur wenn die MEMS-Technologie speziell auf die LiDAR-Anforderungen angepasst ist, lässt sich eine große Reichweite, ein breites Sichtfeld und eine hohe Auflösung erreichen.

Der Blick zurück: Das war 2019

Müssten wir 2019 einen Titel geben, wäre dieser „Wachstum“: Unsere Produktfamilie ist gewachsen, wir haben unsere Produktion aufgebaut und unser Team deutlich vergrößert. Und für 2020 ist kein Ende des Wachstums in Sicht!

Bevor 2019 sich aber vollends verabschiedet, wollen wir einen Blick auf die Ereignisse der letzten zwölf Monate werfen. Das war 2019 für Blickfeld:

Aus eins mach zwei

Sicherlich einer der wichtigsten Schritte in diesem Jahr war für uns die Erweiterung unserer Produktfamilie um den Long-Range Sensor, den Cube Range. Damit können wir im automobilen Bereich nun eine volle LiDAR-Suite anbieten: Der „Familienälteste“ Cube deckt mit einem weiten Field of View die mittlere und nähere Fahrzeug-Umgebung ab – dies ist besonders wichtig für innerstädtische Fahr Szenarien, in denen viele Verkehrsteilnehmer involviert sind, die alle vom Sensor detektiert werden müssen. Der Neuzuwachs Cube Range ergänzt den Cube hierbei um die Long-Range Detektion, die in großer Entfernung auf dunkle Objekte zuverlässig und in hoher Auflösung erkennt. Beide zusammen werde im Januar auf der CES in verschiedenen Demos zu sehen sein.



Blickfeld on Tour

Das Blickfeld-Jahr startete in Las Vegas auf der CES und auch gerade stecken wir wieder mitten in den Vorbereitungen für die Messe Anfang Januar. Auf der CES 2019 war Blickfeld gleich auf mehreren Ständen zu finden, unter anderem bei Leddartech, LiteOn und Koito. Wir sind begeistert in die CES-Welt eingetaucht – unser Fazit: All autonomous everything. Hier geht es zu unserem Bericht zur CES 2019.

Doch die CES war nicht die einzige große Messe, auf der Blickfeld dieses Jahr vertreten war. Branchentreffs wie die AutoSens in Detroit oder Brüssel und die IAA in Frankfurt durften im Blickfeld’schen Veranstaltungskalender ebenfalls nicht fehlen. Hinzu kamen zahlreiche weitere Events auf der ganzen Welt, auf denen wir Blickfeld repräsentiert haben oder auch unsere LiDAR-Experten haben sprechen lassen.

Blickfeld sparkles

Es ist immer wichtig zu wissen, dass wir mit unserem Produkt und unserer Strategie auf dem richtigen Weg sind. Dass wir dieses Jahr wichtige Awards und Preise gewonnen haben, bestätigt uns: Die Mobilität der Zukunft rückt immer weiter in den Fokus und sie betrifft uns alle. Umso mehr haben wir uns über jeden einzelnen Preis gefreut! Besonders hervorheben möchten wir den deutschen Innovationspreis, den European Start-up Prize for Mobility, den Start me up Gründerpreis und ganz frisch den deutschen Digitalpreis „The Spark“, verliehen unter der Schirmherrschaft des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

start me up 2019

Blickfeld gewinnt den Deutschen Innovationspreis

Chip Production

Ready to ramp up

2019 war zudem auch ein wichtiges Jahr auf dem Weg in die Serienproduktion unserer LiDAR-Sensoren. Wir haben uns mit einem Produktionspartner zusammengetan, der viele Jahre Erfahrung in der Fertigung von optoelektronischen Produkten im Automotive-Sektor mitbringt und mit dem wir gemeinsam eine hochautomatisierte Produktionslinie aufgebaut haben.

Das Fahrzeugdesign im Blick

Seit Ende Mai ist es offiziell: Wir arbeiten mit dem japanischen Tier One Automobil-Zulieferer Koito gemeinsam daran, unseren solid-state LiDAR in Auto-Scheinwerfer zu integrieren. Ziel ist es, den Sensor in ein bereits bestehendes Fahrzeugteil einzubauen, damit das Fahrzeugdesign nicht gestört wird.

team

Ein Ende des Wachstums ist nicht in Sicht

Unsere Gesamt-Teamgröße ist um ein unglaubliches Drittel angestiegen! Im Januar konnten wir mit insgesamt 61 Kolleginnen und Kollegen bereits eine beachtliche Teamgröße vorweisen für ein nicht einmal zwei Jahre altes Start-up. Beenden werden wir 2019 mit 99 Mitarbeitern im Team. Gut, dass wir Ende letzten Jahres in weiser Voraussicht unser Büro im Herzen Münchens vergrößert haben.

Wir sind bereit für 2020!

Wir freuen uns wahnsinnig über die erzielten Ergebnisse, sind unserem Team sehr dankbar für den unermüdlichen Einsatz und blicken der weiteren guten Zusammenarbeit mit unseren Kunden und Partnern im nächsten Jahr freudig entgegen.