Ein neuer Mikroscannerspiegel des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS scannt die Umgebung dreidimensional und erfasst Reichweiten von über 200 Metern. Eingebaut in ein LiDAR-System soll er das menschliche Auge ersetzen und entscheidend zum sicheren autonomen Fahren beitragen.

In autonomen Fahrzeugen wird künftig die Technik das Lenkrad übernehmen, Menschen werden so nur noch zu Mitfahrenden. Dafür muss ein Auto jedoch eigenständig Hindernisse und Gefahren erkennen und im Notfall rechtzeitig bremsen können. Ein neuer Mikroscannerspiegel des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS scannt die Umgebung dreidimensional und erfasst Reichweiten von über 200 Metern. Eingebaut in ein LiDAR-System soll er das menschliche Auge ersetzen und zum sicheren autonomen Fahren beitragen.

Ein Forscherteam am Fraunhofer IPMS in Dresden hat nun mit einem neuartigen Mikroscannerspiegel eine erfolgversprechende Komponente für LiDAR-Systeme entwickelt, die das digitale Sehen in drei Dimensionen ermöglichen soll. Das Bauteil trägt durch die Lenkung des Abtastlasers zur dreidimensionalen Vermessung der Umgebung bei. Das Unternehmen AEye verwendet die Mikroscannerspiegel bereits. Das Unternehmen setzt die Mikroscannerspiegel in seinem LiDAR-Sensor 4Sight ein. „Mit unserer Technologieplattform können wir den jeweiligen Designbedürfnissen für die Entwicklung von Mikroscannerspiegeln für LiDAR gerecht werden. LIDAR-Systeme können die Umgebung dreidimensional erfassen und sind so in der Lage, Fußgänger, Radfahrer oder andere Fahrzeuge zu detektieren. Dabei verteilt unser MEMS-Spiegel Laserstrahlen in zwei Dimensionen und bündelt das Licht in der aktuell gemessenen Position. Mit der Laufzeit des reflektierten Lichts wird die Entfernung zum Objekt als dritte Dimension gemessen“, erläutert Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS.

Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS.

Im Detail findet dabei folgender Prozess statt: Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Microscannerspiegel, 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 ge-scannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des LiDARs darstellt.

Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Der Vorteil des Materials: Es ist ermüdungsfrei und robust und zeichnet sich durch hohe Schock- und Temperaturfestigkeiten aus. Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, die die Reflektion des Lichts verstärkt. 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.

„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“, so der Forscher.

Die Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS arbeiten beispielsweise mit den für LiDAR typischen Wellenlängen von 905 bis 1550 Nanometer und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Eingebaut in den smarten LiDAR-Sensor von AEYE sind hohe Reichweiten von mehr als 200 Metern möglich. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den im LiDAR-System eingesetzten MEMS-Scannern des Fraunhofer IPMS sind erfolgreich abgeschlossen. Im nächsten Schritt sollen die Mikroscannerspiegel in einer größeren Stückzahl produziert und in die Großserie überführt werden.