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34 Elektronik Smart Mobility Cities & Energy 2020 Smart Mobility bewegliche Komponenten die unter Schockund Vibration verschleißen MEMSbasierte LiDAR-Systeme arbeiten statt mit rotierendem Emitter-Detektor-Array mit einem einzelnen Mikrospiegel der einen punktförmigen Laserstrahl in 2D oder einen linienförmigen Laserstrahl in 1D ablenkt und so ein Sichtfeld <360° abrastert Das reflektierte Licht wird von einer Anordnung aus Detektoren aufgefangen und das Messsignal von einem ASIC ausgewertet Diese Festkörper-LiDAR-Systeme sind kompakter und verschleißarmer als die mechanischen Varianten erreichen eine hohe Auflösung decken dabei aber ein kleineres Sichtfeld ab LiDAR-Systemebene Das oberste Kriterium für Systemhersteller ist das Gewährleisten der Ausfallsicherheit Auf mechanisch bewegliche Komponenten im LiDAR-System soll nach Möglichkeit verzichtet werden Die Entwicklung bewegt sich daher stark in Richtung Festkörper-LiDAR Die Mindestanforderungen an die Laserlichtquellen für LiDAR-Systeme in Bezug auf Ausfallsicherheit sind in der Norm AEC Q102 des Automotive Electronics Council festgelegt Letztlich muss zwar auf Systemlevel geprüft und zertifiziert werden der Zertifizierungsaufwand vereinfacht sich aber durch vorqualifizierte Bausteine Ausfallsicherheit kann durch Redundanz auf Komponentenebene aber auch auf Systemebene erzeugt werden Bei ADAS-Sensorsystemen wollen Hersteller dafür die Sensorfusion der verschiedenen Techniken Kamera Radar und LiDAR ausnutzen Wie hoch die Auflösung und wie groß das Sichtfeld eines LiDAR-Systems sein muss hängt von der Reichweite ab Eine Übersicht ist in Tabelle 2 gezeigt Laserlichtquelle VCSEL und Kantenemitter Viele der Systemanforderungen übersetzen sich zu Anforderungen an die Laserlichtquelle Kurze Pulszeiten <5 ns die zur Einhaltung von Augensicherheit nötig sind erfordern eine geringe Induktivität des Emitters Osram Opto Semiconductors fertigt Kantenemitter mit einer Induktivität <0 7 nH für Pulszeiten <1 ns Durch kurze Pulse kann die Peakleistung erhöht werden um auch bei hoher LiDARReichweite ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis SNR zu erhalten und die Anforderungen an die Augensicherheit einzuhalten Das SNR wird dabei durch zwei Effekte erhöht Zum einen durch die höhere Leistung des Signals und zum anderen durch die kürzere Integrationszeit der Sensorpixel Trotz optischer Filter erzeugt das Umgebungslicht einen relevanten Rauschanteil der mit steigender Integrationszeit zunimmt VCSEL-Emitter erreichen unter Laborbedingungen eine Effizienz >50 % Werden sie unter praxistauglichen Bedingungen betrieben liegt die Effizienz im Bereich zwischen 30 % und 40 % und damit etwas über der von Kantenemittern ~30 % Die optische Ausgangsleistung von VCSEL-Emittern ist geringer als die von Kantenemittern daher werden sie vor allem für kurze und mittlere Reichweiten eingesetzt Kantenemitter erreichen 100 Wbis 1000 Wund eignen sich für kurze mittlere und hohe Reichweiten Die erreichbare Auflösung hängt von der Strahlqualität der Lichtquelle ab vor allem von der räumlichen Divergenz des Lichtstrahls Hier unterscheiden sich VCSELund Kantenemitter Kantenemitter divergieren stärker als VCSEL-Emitter und verhalten sich dabei nicht symmetrisch Der Lichtstrahl divergiert parallel zur aktiven Schicht mit kleinerem Winkel als senkrecht zu ihr sodass ein elliptisches Fernfeld entsteht Die Ursache Bild 3 Aufbau eines VCSELChips mit MultiJunction Bild Osram Bild 2 Rasternde LiDAR-Systeme können als rotierendes System oder mit MEMS-Spiegeln zur Lichtablenkung ausgelegt werden Bild Osram