Lidar-System Mikroscannerspiegel erfasst Umgebung dreidimensional bis 200 m

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Mikroscannerspiegel ist das Herzstück eines Lidar-Systems. Forscher haben jetzt solch einen Spiegel entwickelt, der seine Umgebung bis zu 200 m weit dreidimensional erfasst.

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

Mithilfe von Lidar-Systemen sollen aktuelle und künftige Fahrzeug-Generationen ihre Umgebung präzise wahrnehmen können. Diese Systeme sind die Augen des Fahrzeugs. Sie ermitteln die Entfernung zwischen einem Objekt und dem Fahrzeug. Damit sind sie ein wichtiger Baustein auf dem Weg zum sicheren autonomen Fahren. Dabei kommen ganz unterschiedliche Lidar-Systeme zum Einsatz.

Jetzt haben Forscher des Fraunhofer IPMS in Dresden einen neuartigen Mikroscannerspiegel entwickelt. Dieser ist eine wichtige Komponente für Lidar-Systeme, um das digitale Sehen in drei Dimensionen zu ermöglichen. Das Bauteil lenkt des Abtastlaser, damit dieser die Umwelt dreidimensional vermessen kann. 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.

Zu den Besonderheiten des Lidar-Sensors von 4Sight gehört eine per Software definierte Optimierung der Reichweite von bis zu 1000 m, sowohl augen- als auch kamerasicher. Das Lidar-System ist außerdem in der Lage, bis zu vier Millionen Punkte pro Sekunde mit horizontaler und vertikaler Auflösung von weniger als 0,1° abzutasten. Die sofortige adressierbare Auflösung beträgt dabei 0,025°.

Der Scanvorgang im Detail

Im Detail findet dabei folgender Prozess statt: Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Mikroscannerspiegel, 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 gescannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des Lidars darstellt. Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Das Material ist ermüdungsfrei und robust und zudem Schock- und Temperaturfest. Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, welche die Reflexion des Lichts verstärkt.

Lidar-Sensor hinter der Frontscheibe

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.

Detailzeichnung des Mirkoscannerspiegels des Fraunhofer IPMS.
Detailzeichnung des Mirkoscannerspiegels des Fraunhofer IPMS.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Die Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS arbeiten beispielsweise mit den für Lidar typischen Wellenlängen von 905 bis 1550 nm und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Eingebaut in den smarten Lidar-Sensor von AEYE sind hohe Reichweiten von mehr als 200 m möglich. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den im Lidar-System eingesetzten MEMS-Scannern des Fraunhofer IPMS sind erfolgreich abgeschlossen.

„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“, erläutert Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS.

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