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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.

Stauvermeidung in Städten

LiDAR im Einsatz zur Verkehrsflussoptimierung

Wer schon einmal während der Rush Hour in München über den Mittleren Ring gefahren ist, der kennt das enorme Problem von urbanen Räumen weltweit: Stau so weit das Auge reicht. Im Durchschnitt standen die Deutschen im Jahr 2018 120 Stunden im Stau, in München waren es sogar 140 Stunden. Für Autofahrer sind diese verlorenen Stunden ärgerlich und beeinträchtigen ihre Lebensqualität. Für den Staat Deutschland bedeuten diese Zahlen erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen: Stau kostet jährlich mehrere Milliarden Euro, da Mitarbeiter im Stau stehen, statt produktiv zu sein und Warenlieferungen auf der Straße stehen, statt im Regal. Hinzu kommt eine hohe Umweltbelastung wegen des erhöhten Benzinverbrauchs und damit vermehrten CO2-Ausstoßes.

Stau ist ein Problem, besonders in den Städten. Neue Technologien können und werden jedoch einen wichtigen Beitrag leisten, um dieses Problem zu lösen.

 

Mehr wissen, als der einzelne Verkehrsteilnehmer

Wie entsteht Stau überhaupt? Stau ist ein verteiltes Problem, das dadurch zustande kommt, dass jeder Verkehrsteilnehmer für sich optimiert sein Fahrzeug steuert. Er schließt zum Beispiel zum vorausfahrenden Auto auf oder wechselt die Spur – was immer ihm als Möglichkeit erscheint, schneller an sein Ziel zu kommen. Da der einzelne Verkehrsteilnehmer gar nicht überblicken kann, wie er den Verkehr um sich herum beeinflusst, kann er auch nicht dementsprechend optimiert handeln. Dass ein auf-die-Bremse-steigen drei Kilometer hinter dem bremsenden Fahrzeug einen Stau auslösen kann, registriert der Autofahrer selber nicht.

An diesem Punkt muss angesetzt werden: Das Verhalten der Einzelpersonen muss in der Verkehrsplanung und -steuerung ausgeglichen werden, um den Verkehrsfluss zu optimieren. Die Lösung liegt darin, präemptiv und verteilt, also vorausschauend und über den einzelnen Teilnehmer hinaus, den Verkehr zu regeln. Dafür ist ein Gesamtüberblick über die Verkehrssituation nötig.

Mit GPS, Kameras und Sensoren zum Gesamtüberblick

Um diesen Gesamtüberblick zu erlangen, können verschiedene Technologien zum Einsatz kommen. Wirft man einen genauen Blick auf diese, stellt man fest, dass einige dieser Technologien sich aus verschiedenen Gründen eher weniger für die Ausstattung einer Smarten Infrastruktur eignen:

GPS:

GPS liefert wertvolle Daten, indem es die Bewegungsdaten der Verkehrsteilnehmer sammelt. Somit kann mit Hilfe dieser Technologie recht zuverlässig Stau gemeldet werden. Fußgänger und Radfahrer zu berücksichtigen, übersteigt allerdings die Möglichkeiten von GPS.

Statt, wie im Fall von GPS, mit Hilfe der Verkehrsteilnehmer Informationen zu sammeln, können Sensoren und Kameras in die Infrastruktur integriert werden, um das Verkehrsgeschehen zu beobachten. Hierfür werden die Geräte in Ampeln, Straßenlaternen oder Verkehrsschilder eingebaut und sammeln von dort aus Informationen über ihr Umfeld. Auch hier lassen sich klare Vor- und Nachteile der möglichen Technologien erkennen:

Kameras:

Kameras etwa sind in der Lage, Farbbilder zu erfassen, können aber bei Dunkelheit nicht mit gleicher Qualität eingesetzt werden. Zudem stellen sie die Daten lediglich in 2D zur Verfügung und geraten bei der Aufzeichnung und Speicherung von personenbezogenen Daten schnell in eine datenschutzrechtliche Grauzone.

Radar:

Radar wird bisher hauptsächlich zur Geschwindigkeitsüberwachung eingesetzt, könnte aber auch in der Verkehrsüberwachung Anwendung finden. Jedoch liefert Radar nur ein sehr ungenaues Bild: Die Technologie kann deshalb zwar Objekte erkennen, ist aber aufgrund der fehlenden Detailtiefe nicht in der Lage, diese auch zu klassifizieren. Mit Radar-Daten lässt sich also beispielsweise nicht zuverlässig zwischen Fußgänger und Radfahrer unterscheiden.

LiDAR erfasst Verkehrsteilnehmer präzise und anonymisiert

Eine Technologie, die sehr präzise zwischen allen Verkehrsteilnehmer unterscheiden kann, ist die laserbasierte LiDAR-Technologie. Die Sensoren liefern detaillierte und zuverlässige 3D-Informationen, die es ermöglichen zwischen den verschiedenen Verkehrsteilnehmern zu unterscheiden. Dabei kann erkannt werden, ob es sich bei der 3D-Punktwolke um einen Fußgänger oder Radfahrer handelt, allerdings ist die individuelle Identifizierung von einzelnen Personen nicht möglich, was die Privatsphäre der Verkehrsteilnehmer schützt.

Zudem sind LiDAR-Sensoren in der Lage, auch bei schwierigen Wetterbedingungen und Lichtverhältnissen zuverlässig Informationen zu sammeln. Dunkelheit, Staub oder Nebel machen der Technologie nichts aus. Neben Positions- und Objektinformationen erfassen die Sensoren zudem auch Geschwindigkeiten, was bei der Analyse des Verkehrsflusses oder Entstehungsgründen von Stau hilfreich sein kann.

Solid-State als Lösung für heutige LiDAR-Probleme

Die High-Tech Sensoren kommen aktuell vor allem im Bereich des autonomen Fahrens zum Einsatz und stehen vor einer großen Herausforderung: Heute verfügbare LiDAR-Sensoren sind teuer und störanfällig. Diese Probleme löst die Solid-State-Technologie. Bei dieser Art von LiDAR werden die beweglichen Bauteile, die den Laser ablenken, um die Umgebung abzutasten, durch wartungsfreie Komponenten ersetzt. Die Sensoren sind damit deutlich robuster und zudem günstiger – und somit für den breit gefächerten Einsatz in der Infrastruktur bestens geeignet.

Verkehrsinformationen ermöglichen konkrete Maßnahmen

Die in der Infrastruktur verbauten LiDAR-Sensoren liefern Informationen über die aktuelle Verkehrssituation in Echtzeit: Fließt oder stockt der Verkehr? Gibt es einen Unfall oder eine Baustelle? Stehen viele Fußgänger an der Ampel oder am Zebrastreifen?

Mit diesen Informationen lassen sich die folgenden Maßnahmen in Echtzeit und auf den Verkehr angepasst ergreifen, um den Verkehrsfluss zu optimieren:

  • Anpassung von Ampelphasen
  • Anpassung von Geschwindigkeitsbegrenzungen
  • Anzeigen von Stauwarnungen
  • Ausspielen von Umleitungsempfehlungen
  • Identifizierung und Umbau von Gefahrenstellen

In Zukunft wird man sogar noch einen Schritt weitergehen: Dann werden autonome Fahrzeuge die Informationen verwenden um ihre Fahrpläne und -routen dynamisch an das Verkehrsgeschehen anzupassen.

Städte, die sich wieder um den Menschen drehen

In vielen Städten sind heute noch deutlich die Einflüsse des Paradigmas der „autogerechten Stadt“ zu erkennen: Die Stadtplanung wird nach dem Ziel des ungehinderten Verkehrsflusses des Autos ausgerichtet. Auch wenn sich dieses Modell schon seit einigen Jahrzehnten starker Kritik gegenübersieht, sind viele Verkehrskonzepte in den Städten noch am motorisierten Individualverkehr orientiert.

Dieser Ansatz wird in den letzten Jahren zunehmend von der Forderung nach autofreien Zonen oder sogar ganzen Innenstädten verdrängt. Diese Forderungen zeigen deutlich: Die Städte- und Verkehrsplanung muss sich wieder mehr um den Menschen drehen. Die Bedürfnisse der Bewohner, Pendler und aller weiteren Verkehrsteilnehmer müssen in den Mittelpunkt rücken und das bedeutet, Mobilität so sicher und unkompliziert wie möglich zu gestalten. Fußgängerübergänge müssen sicherer konzipiert werden, Abbiegeunfälle vermieden werden, ausreichend Platz für Radfahrer geschaffen werden – die Liste der Maßnahmen ist lang. Die intelligente Steuerung des Verkehrs mit Hilfe einer smarten Infrastruktur ermöglicht genau das – und die LiDAR Technologie steht in ihrem Mittelpunkt.

LiDAR für alle – MEMS-Spiegel machen LiDAR-Sensoren fit für den Massenmarkt

LiDAR-Systeme haben in der Vergangenheit mit einigen Probleme zu kämpfen gehabt: Sie waren weder performant, noch robust genug für den Einsatz in der Automobilindustrie. Ein noch viel größeres Problem stellten allerdings bisher die Kosten für ein LiDAR-System dar: Die Sensoren waren viel zu teuer für den Massenmarkt Automobil. Dieses Problem ist Blickfeld angegangen. Die Technologie des Münchener Start-ups setzt auf MEMS-Siliziumkomponenten und hochautomatisierte Fertigung – und bereitet so dem autonomen Fahrzeug den Weg.

Das Problem: Fehlende Robustheit und zu hohe Produktionskosten

Die LiDAR-Technologie ist keine neue Erfindung, sie kommt bereits seit den 60er Jahren in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, etwa zur Messung von Emissionen in der Atmosphärenforschung oder zur Fernerkundung in der Archäologie. Doch die LiDAR-Systeme standen bisher vor einigen gravierenden Problemen:

  • LiDAR-Systeme sind sehr groß.
  • Die eingesetzte Mechanik ist empfindlich gegenüber rauen Umweltbedingungen wie Erschütterungen, Vibrationen, Hitze und Kälte.
  • Die Reichweite der bisherigen LiDAR-Systeme reicht für viele Anwendungen nicht aus.
  • Und: LiDAR-Sensoren sind heute weder in großen Stückzahlen noch zu erschwinglichen Preisen verfügbar.

All diese Punkte stellen besonders für die Automobilindustrie große Probleme dar, die händeringend nach leistungsfähigen LiDAR-Systemen mit robustem und produktionsskalierbarem Design sucht. Warum? Weil LiDAR essentiell für die autonom fahrenden Autos von morgen ist. In der Mobilität geht es immer um Abstände und Geschwindigkeiten. Nicht-Kollidieren ist essentiell im Straßenverkehr. LiDAR Sensoren erfassen unmittelbar und sicher. Experten gehen daher davon aus, dass zukünftig gleich mehrere LiDAR-Sensoren je Auto verbaut sein werden. Hierfür müssen aber zunächst die genannten Probleme überwunden werden.

Woher stammen die Probleme?

Klassische, mechanisch drehende LiDAR-Konzepte sind empfindlich und 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, deutlich weniger Bauraum zu benötigen und günstiger produziert werden zu können, sind aber noch am Anfang der Entwicklung oder haben systembedingte Nachteile, etwa eine sehr begrenzte Reichweite.

Die Lösung: MEMS-basierte LiDAR Sensoren

Eine vielversprechende Lösung stellen dagegen LiDAR-Sensoren dar, die auf MEMS-Spiegeln basieren. Ihre Siliziumbauweise ist bereits deutlich fortgeschritten und in vielen Anwendungen im Automobil sehr 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 kleine Spiegelgrößen und kleine Ablenkwinkel, da diese für ihre bisherige Verwendung ausreichten. Ihre Leistung in Bezug auf die Reichweite und das abgedeckte Sichtfeld ist daher eingeschränkt.

MEMS-Spiegel im Wafer

Die Blickfeld-Lösung: Besonders große Spiegel

Auch Blickfeld setzt auf MEMS-basierte LiDAR-Systeme. Doch was macht das Unternehmen anders? Um die Reichweite der Sensoren zu erweitern, hat Blickfeld eigens MEMS-Spiegel entwickelt. Mit großzügigen Abmessungen von mehr als 10 Millimetern Spiegeldurchmesser kann somit ein hoher Anteil an einfallendem Licht auf den Fotodetektor gelenkt werden. So erkennt der LiDAR in mehr als 180 Metern Entfernung noch sicher sogar schwach reflektierende Objekte. Im Vergleich dazu verfügen herkömmliche MEMS-Spiegel über Durchmesser von nur wenigen Millimetern und kleine Ablenkwinkel, was beim Einsatz in LiDARs die Reichweite und das Sichtfeld entsprechend verkleinert.

Weitere Vorteile des in Blickfeld-Produkten verbauten MEMS-Spiegel sind:

  • eine große Auslenkung, was einen Scanwinkel von ca 100° x 30° und damit ein breites Sichtfeld ermöglicht.
  • Räumliche Filterwirkung durch koaxialen Aufbau: 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 der Richtung eingesammelt, in welche der Laser gesendet hat. Dadurch wird das Hintergrundlicht, etwa durch Sonne oder andere LiDARs minimiert und es entsteht ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis, was der Reichweite zugutekommt.

Der Blickfeld Cube auf einem Autodach

Wie begegnet Blickfeld dem Problem der Produktion?

Die von Blickfeld entwickelten MEMS-Spiegel lösen drei der vier genannten Probleme: Die LiDARs sind platzsparend, robust und performant. Wie begegnet Blickfeld aber dem Problem der kostenintensiven Herstellung? Indem es die Spiegel mit kostengünstigen fotolithografischen Produktionstechniken herstellt, die höchste Präzision bei extremer Skalierbarkeit ermöglichen, sogenannter MEMS Siliziumfertigung. 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 Methode verhilft der Technologie in den Massenmarkt.

Der MEMS-Spiegel ist dabei in einen Aufbau aus ‚commercial off-the-shelf‘, also handelsüblichen Standardkomponenten eingebettet. Dank dieser am Markt verfügbaren Laser- und Detektoreinheiten ist eine kostengünstige und skalierbare Produktion der Sensoren möglich.

Autonom fahrende Autos und noch so viel mehr

Der Einsatz von LiDAR-Sensoren erstreckt sich weit über die Automobilbranche hinaus und die Anwendungsfelder sind vielseitig. Um die Vorteile der Technologie nutzen zu können, hat Blickfeld die großen Probleme der LiDAR-Systeme aus dem Weg geräumt und sie somit für den Massenmarkt zugänglich gemacht. Die Zeit der LiDARs hat gerade erst begonnen!