Kluge Ideen für verbesserte ADAS

Dein Auto beobachtet dich. Das ist keine Paranoia oder Science Fiction. Es ist ein entscheidender Teil der Revolution der fortschrittlichen Fahrerassistenzsysteme (ADAS). ADAS-Technologien, die die Fahrzeugsicherheit und Fahreffizienz verbessern sollen, überwachen die Bedingungen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Fahrzeugs, um Unfälle proaktiv zu verhindern und optimalen Komfort zu gewährleisten.

Im Fahrzeuginneren sind Fahrerüberwachungssysteme (DMS) und Insassenüberwachungssysteme (OMS) Schlüsselkomponenten eines ADAS. Diese wachsamen Augen sorgen für Sicherheit und Komfort, indem sie den Zustand und das Verhalten von Fahrern und Passagieren beobachten. Durch DMS und OMS können Ablenkungen, Ermüdung des Fahrers und sogar die Anwesenheit unbeaufsichtigter Kinder oder Haustiere erkannt werden, was eine entscheidende Rolle bei der ADAS-Zielsetzung der Reduzierung von Verkehrsunfällen spielt. Sie können auch zur Verbesserung des Benutzererlebnisses verwendet werden, indem Funktionen wie Gestensteuerung und Gesichtserkennung zur Fahrerauthentifizierung aktiviert werden.

DMS und OMS sind im Wesentlichen moderne industrielle Bildverarbeitungssysteme, und ihre Wirksamkeit hängt stark von der verwendeten Beleuchtungstechnologie ab. Traditionell sorgen Beleuchtungen mit Licht emittierenden Dioden (LED) für das nötige Licht für Kameras und Sensoren. 

Doch mit der Weiterentwicklung der ADAS-Technologie haben Designer zum Ziel, ihre DMS- und OMS-Komponenten effizienter und zuverlässiger zu machen. Insbesondere möchten sie deren Fähigkeit verbessern, unter schwierigen Lichtbedingungen und in weiten Temperaturbereichen zu arbeiten. Sie möchten außerdem die Systemfunktionalität verbessern, beispielsweise durch die Integration von 3D-Sensorfunktionen. All dies hat zur Erforschung von Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) als Lichtquellen geführt. 

VCSELs bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber LEDs, von einer verbesserten Tiefenwahrnehmung bis hin zu minimalen Störungen durch das „rote Glimmen“, und sie sind in der Lage, diese wichtigen Komponenten eines ADAS zu transformieren. Wir werden hier die integrale Rolle der Beleuchtung in DMS und OMS erkunden, die Beschränkungen der LED-Technologie untersuchen und das transformative Potenzial von VCSELs zur Erweiterung der Funktion von ADAS für die automotive Sicherheit erörtern.

Grundlagen von Überwachungssystemen

DMS und OMS sind hinsichtlich ihrer Gesamtkonfiguration weitgehend ähnlich. Sie verwenden eine Nahinfrarot-Lichtquelle, um einen relevanten Bereich zu beleuchten, Kameras und Sensoren, um die Szene abzubilden und schließlich verschiedene Verarbeitungshardware und ‑software, um das „Gesehene“ zu interpretieren. Nahinfrarot-Beleuchtung wird bevorzugt, da es für das Auge unsichtbar ist, den Fahrer also nicht ablenkt oder die Sicht beeinträchtigt, aber dennoch mit kostengünstigen Sensoren leicht erkannt werden kann. 

Allerdings unterscheiden sich DMS und OMS in ihren Einzelheiten. Eine Hauptfunktion des DMS besteht darin, das Verhalten und den Aufmerksamkeitszustand des Fahrers zu überwachen. Daher beleuchtet und betrachtet das DMS normalerweise nur den begrenzten Bereich innerhalb des Fahrzeugs, in dem sich der Fahrer voraussichtlich aufhält. Das DMS könnte Daten zur Augenbewegung des Fahrers, zur Kopfstellung und sogar zu physiologischen Indikatoren wie der Herzfrequenz rückmelden. Dies ermöglicht es, potenziell gefährdende Verhaltensweisen wie Ablenkung oder Schläfrigkeit zu erkennen und den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, wodurch das Unfallrisiko deutlich verringert wird.

OMS weitet diese Überwachung auf alle Passagiere im Fahrzeug aus. Diese Systeme bewerten die Anwesenheit, Größe und Position jedes Insassen und optimieren Sicherheitsfunktionen wie die Airbag-Auslösung im Falle einer Kollision. Sie sind besonders wichtig für die Erkennung gefährdeter Passagiere wie Kinder oder Haustiere.

Coherent stellt eine umfassende Reihe von VCSEL Array-Produkten her, die für 3D-Sensoraufgaben verwendet werden können, welche ein großes Beleuchtungsfeld erfordern, z. B. für Fahrüberwachungssysteme (DMS), Insassenüberwachungssysteme (OMS) und für die Gestenerkennung.

Erleuchtende Konzepte

Nahinfrarot-LED-Strahler sind aus mehreren Gründen die Hauptstütze von Innenraum-Überwachungssystemen. Erstens handelt es sich um eine allgemein verfügbare, gut verstandene und bewährte Technologie. Außerdem sind sie kostengünstig im Vergleich zu anderen Beleuchtungstechnologien. LEDs sind energieeffizient, was besonders bei Automobilanwendungen – und ganz besonders bei Elektrofahrzeugen (EVs) – wichtig ist. Und sie sind kompakt, robust, zuverlässig und langlebig. 

Trotz dieser Vorteile weisen LEDs auch Einschränkungen auf. Außerdem werden diese Nachteile mit der Weiterentwicklung von DMS und OMS noch deutlicher. 

Ein Hauptproblem bei LEDs ist ihr sogenanntes „rotes Glimmen“ (Überstrahlen). Eine LED gibt ein relativ breites Lichtspektrum ab. Auch wenn ihre Spitzenleistung im unsichtbaren Infrarotbereich bei 940 nm liegt, kann sie dennoch in geringem Maße sichtbares rotes Licht aussenden.  Das rote Glimmen oder Leuchten kann den Fahrer optisch stören oder ablenken, insbesondere nachts oder bei anderen schlechten Lichtverhältnissen. Außerdem kann es auch ästhetisch unerwünscht sein. 

Wie die meisten Laserquellen erzeugen VCSELs ein nahezu monochromatisches Licht. Ein 940 nm VCSEL erzeugt praktisch kein sichtbares Licht. Es gibt kein rotes Glimmen. 

Durch die spektral schmale Ausgabe der VCSELs haben sie einen weiteren Vorteil gegenüber LEDs. Insbesondere ist es viel einfacher, einen VCSEL mit einem optischen „Bandpassfilter“ zu kombinieren, um Umgebungslicht (sowohl Sonnenlicht als auch künstliche Quellen) aus der Szene zu beseitigen. Umgebungslicht kann zu Rauschen und Fehlern in den Überwachungssystemen führen, was zu falschen Messwerten oder einer verringerten Genauigkeit führt. 

Der Bandpassfilter ist eine optische Komponente im Kamerasystem, die nur einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt. Bei Verwendung mit einem VCSEL kann der Bandpassfilter praktisch alles außer einem sehr kleinen Bereich um die Wellenlänge der Spitzenemission unterdrücken. Dies ermöglicht einen einwandfreien Betrieb auch bei sehr hellem Umgebungslicht (z. B. direktem Sonnenlicht). Im Gegensatz dazu muss bei einer LED ein viel breiterer Bandpassfilter verwendet werden, um das gesamte Licht durchzulassen. Dieser lässt dann jedoch auch mehr unerwünschtes Umgebungslicht durch. 

VCSELs behalten außerdem eine gleichmäßigere Wellenlänge und Ausgangsleistung bei, wenn sie Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, als dies bei LEDs der Fall ist. Diese Stabilität ist bei Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie bedeutet, dass die Systeme auch dann konsistente Ergebnisse liefern, wenn sie einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt sind. Die Wellenlängenstabilität des VCSEL bei wechselnden Temperaturen verbessert zudem die Möglichkeit, ihn mit einem schmalen Bandpassfilter zu verwenden. Andernfalls könnte sich der VCSEL-Ausgang möglicherweise außerhalb des Durchlassbereichs des Filters verschieben und so die Systemeffizienz verringern. 

VCSELs besitzen ein weiteres wichtiges Merkmal von Laserquellen. Sie erscheinen nämlich als eine sehr kleine Quelle, die in einem relativ engen Winkelbereich ausstrahlt. Im Gegensatz dazu geben LEDs ihr Licht grundsätzlich in Form einer Halbkugel ab. Jede Methode, mit der versucht wird, den Ausgang einzuschränken, führt letztlich nur dazu, dass Lichtleistung verloren geht.

Aufgrund der Eigenschaften des VCSEL wird daher auch die Anpassung des Ausgabewinkels an das Sichtfeld des Kamerasystems erleichtert. Mit anderen Worten: Ein VCSEL beleuchtet nur den gewünschten Bereich, und das ohne Lichtverlust. Dies alles führt zu einer erheblichen Effizienzsteigerung gegenüber der LED, die normalerweise viel mehr Strom benötigt, um den gleichen effektiven Beleuchtungswert am Sensor zu erreichen.

Eine weitere Eigenschaft von VCSELs wird es DMS und OMS ermöglichen, weit über die Fähigkeiten heutiger Systeme auf LED-Basis hinauszugehen. Konkret geht es um die Fähigkeit, den Ausgangsstrahl von VCSELs bei sehr hohen Geschwindigkeiten (über 50 MHz) zu modulieren (pulsen). LEDs kommen nicht annähernd an solche Werte. 

Der Vorteil des schnellen Pulsens besteht darin, dass es für die 3D-Erfassung verwendet werden kann. Dies kann entweder mit den Techniken der direkten Flugzeit (dToF) oder der indirekten Flugzeit (iToF) erreicht werden. Die dToF-Methode misst einfach die Zeit, die der VCSEL-Puls benötigt, um von einem Objekt abzuprallen und zum Sensor zurückzukehren. Die Zeitmessung dient der Berechnung der Entfernung vom/zum Objekt. Bei iToF nutzt das System die Phasenverschiebung der reflektierten Lichtwelle, um die Entfernung zu bestimmen. Dieser neueste Ansatz kann dort effektiver sein, wo Faktoren wie Umgebungslichtstörungen oder die Notwendigkeit von RAPID-Entfernungsberechnungen die dToF-Methode schwieriger machen oder deren Genauigkeit einschränken.

Coherent glaubt, dass eine Umstellung von LEDs auf VCSELs in DMS und OMS die Systemeffizienz und ‑leistung verbessern wird. Wichtiger noch: die Fähigkeiten dieser Komponenten können noch erheblich verbessert werden. Wir sind bereits jetzt einer der weltweit führenden Hersteller von VCSELs für eine Vielzahl von Anwendungen, wobei wir großen Wert auf hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz legen. Darüber hinaus sind wir durch unsere vertikale Integration in der einzigartigen Lage, AEC-Q102-konforme VCSELs und Beleuchtungsmodule herzustellen und zu verpacken, die es ADAS-Designern ermöglichen, alle Vorteile dieser Technologie zu nutzen.

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