Clevere Ideen für verbesserte Fahrerassistenzsysteme

Ihr Auto beobachtet Sie. Das ist weder Paranoia noch Science-Fiction. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der revolution im Bereich der Fahrerassistenzsysteme (ADAS). ADAS-Technologien, die darauf ausgelegt sind, die Fahrzeugsicherheit und die Fahrleistung zu verbessern, 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) zentrale Komponenten eines ADAS. Diese „wachsamen Augen“ sorgen für Sicherheit und Komfort, indem sie den Zustand und das Verhalten von Fahrern und Beifahrern gleichermaßen beobachten. Mithilfe von DMS und OMS lassen sich Ablenkungen, Fahrermüdigkeit und sogar die Anwesenheit unbeaufsichtigter Kinder oder Haustiere erkennen, was eine entscheidende Rolle bei der Verwirklichung des ADAS-Ziels der Verringerung von Verkehrsunfällen spielt. Sie können zudem dazu dienen, das Benutzererlebnis zu verbessern, indem sie Funktionen wie Gestensteuerung und Gesichtserkennung zur Fahrerauthentifizierung ermöglichen.

DMS und OMS sind im Wesentlichen hochentwickelte Bildverarbeitungssysteme, deren Leistungsfähigkeit in hohem Maße von der verwendeten Beleuchtungstechnologie abhängt. Bislang lieferten Diode Beleuchtungen das erforderliche Licht für Kameras und Sensoren. 

Mit dem Fortschritt der ADAS-Technologie sind die Entwickler jedoch bestrebt, ihre DMS- und OMS-Komponenten effizienter und zuverlässiger zu gestalten. Insbesondere wollen sie deren Leistungsfähigkeit unter schwierigen Lichtverhältnissen und über weite Temperaturbereiche hinweg verbessern. Zudem streben sie eine Erweiterung der Systemfunktionalität an, beispielsweise durch die Integration von 3D-Erfassungsfunktionen. All dies hat dazu geführt, dass Vertikal-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSELs) als Lichtquellen in Betracht gezogen werden. 

VCSELs bieten gegenüber LEDs eine Vielzahl von Vorteilen, von einer verbesserten Tiefenwahrnehmung bis hin zu minimalen Störungen durch „rotes Leuchten“, und sind damit bestens geeignet, diese entscheidenden Komponenten von ADAS zu revolutionieren. Hier werden wir die zentrale Rolle der Beleuchtung in DMS und OMS untersuchen, die Grenzen der LED-Technologie beleuchten und das transformative Potenzial von VCSELs bei der Verbesserung der ADAS-Funktionen im Bereich der Fahrzeugsicherheit erörtern.

Grundlagen von Überwachungssystemen

DMS und OMS weisen hinsichtlich ihrer allgemeinen Konfiguration große Ähnlichkeiten auf. Sie nutzen eine Nahinfrarot-Lichtquelle zur Ausleuchtung des zu überwachenden Bereichs, Kameras und Sensoren zur Erfassung der Szene sowie verschiedene Verarbeitungshardware und -software zur Auswertung der Bilddaten. Die Nahinfrarot-Beleuchtung wird bevorzugt, da sie für das menschliche Auge unsichtbar ist und somit weder den Fahrer ablenkt noch die Sicht beeinträchtigt, aber dennoch mit kostengünstigen Sensoren leicht erfasst werden kann. 

Das DMS und das OMS unterscheiden sich jedoch in ihren Einzelheiten. Eine Hauptfunktion des DMS besteht darin, das Verhalten und den Wachheitszustand des Fahrers zu überwachen. Daher beleuchtet und erfasst das DMS in der Regel nur den begrenzten Bereich im Fahrzeuginneren, in dem sich der Fahrer voraussichtlich aufhält. Das DMS kann Daten zu den Augenbewegungen des Fahrers, seiner Kopfposition und sogar zu physiologischen Indikatoren wie der Herzfrequenz liefern. Dadurch kann es potenziell gefährliche Verhaltensweisen wie Ablenkung oder Schläfrigkeit erkennen und den Fahrer darauf aufmerksam machen, was das Unfallrisiko erheblich senkt.

OMS erweitert diese Überwachung auf alle Insassen des Fahrzeugs. Diese Systeme erfassen die Anwesenheit, Größe und Position jedes Insassen und optimieren so Sicherheitsfunktionen wie die Airbag-Auslösung im Falle einer Kollision. Sie sind besonders wichtig für die Erkennung gefährdeter Insassen wie Kinder oder Haustiere.

Coherent ein umfangreiches Sortiment an VCSEL-Array für 3D-Sensorik-Anwendungen Coherent , die ein großes Ausleuchtungsfeld erfordern, darunter Fahrerüberwachungssysteme (DMS), Anwesenheitserkennungssysteme (OMS) und Gestenerkennung.

Beleuchtungskonzepte

LED-Beleuchtungen im nahen Infrarotbereich sind aus mehreren Gründen das Rückgrat von Überwachungssystemen im Fahrzeuginnenraum. Erstens handelt es sich um eine weit verbreitete, gut erforschte und bewährte Technologie. Außerdem sind sie im Vergleich zu anderen Beleuchtungstechnologien kostengünstig. LEDs sind energieeffizient, was bei Anwendungen im Automobilbereich – insbesondere bei Elektrofahrzeugen (EVs) – besonders wichtig ist. Und sie sind kompakt, robust, zuverlässig und langlebig. 

Trotz dieser Vorteile weisen LEDs auch Einschränkungen auf. Darüber hinaus treten diese Nachteile mit der Weiterentwicklung von DMS und OMS immer deutlicher zutage. 

Ein zentrales Problem bei LEDs ist ihr sogenanntes „rotes Leuchten“. Eine LED strahlt ein relativ breites Lichtspektrum aus. Auch wenn ihre maximale Lichtleistung bei 940 nm im unsichtbaren Infrarotbereich liegt, kann sie dennoch etwas sichtbares rotes Licht abgeben. Das rote Leuchten kann für den Fahrer visuell störend oder ablenkend sein, insbesondere bei Nacht oder anderen schlechten Lichtverhältnissen. Auch aus ästhetischer Sicht kann es unerwünscht sein. 

Wie die meisten Laserquellen erzeugt der VCSEL nahezu monochromatisches Licht. Ein 940-nm-VCSEL erzeugt praktisch kein sichtbares Licht. Es gibt kein rotes Leuchten. 

Die spektral schmale Strahlung der VCSELs verschafft ihnen einen weiteren Vorteil gegenüber LEDs. Insbesondere lässt sich ein VCSEL viel einfacher mit einem optischen „Bandpassfilter“ kombinieren, um Umgebungslicht (sowohl Sonnenlicht als auch künstliche Lichtquellen) aus dem Erfassungsbereich auszublenden. Umgebungslicht kann in den Überwachungssystemen Störungen und Fehler verursachen, was zu falschen Messwerten oder einer verminderten Genauigkeit führen kann. 

Der Bandpassfilter ist ein optisches Bauteil im Kamerasystem, das nur einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt. In Verbindung mit einem VCSEL kann der Bandpassfilter praktisch alles außer einem sehr kleinen Bereich um die maximale Wellenlänge herum zurückhalten. Dies ermöglicht einen einwandfreien Betrieb auch bei sehr hellem Umgebungslicht (wie direktem Sonnenlicht). Im Gegensatz dazu muss bei einer LED ein deutlich breiterer Bandpassfilter verwendet werden, um das gesamte Licht durchzulassen. Dadurch wird jedoch auch mehr unerwünschtes Umgebungslicht durchgelassen. 

VCSELs weisen bei Temperaturschwankungen Wellenlänge gleichmäßigere Wellenlänge Ausgangsleistung auf als LEDs. Diese Stabilität ist in Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung, da die Systeme dadurch auch bei großen Temperaturschwankungen konsistente Ergebnisse liefern. Zudem verbessert die Wellenlänge des VCSEL bei Temperaturänderungen die Eignung für den Einsatz mit einem Schmalbandfilter. Andernfalls könnte die VCSEL-Ausgangsleistung möglicherweise außerhalb des Durchlassbereichs des Filters liegen, was die Systemeffizienz verringern würde. 

VCSELs weisen eine weitere wesentliche Eigenschaft von Laserquellen auf. Sie sind nämlich sehr kleine Lichtquellen, deren Licht in einem relativ engen Winkelbereich abgestrahlt wird. Im Gegensatz dazu strahlen LEDs im Wesentlichen über eine gesamte Hemisphäre ab. Jeder Versuch, ihren Lichtstrahl einzugrenzen, führt letztendlich dazu, dass Licht verloren geht.

Dadurch lässt sich der Abstrahlwinkel des VCSEL problemlos an das Sichtfeld des Kamerasystems anpassen. Mit anderen Worten: Der VCSEL beleuchtet nur den gewünschten Bereich, und zwar ohne jeglichen Lichtverlust. Dies führt zu einer erheblichen Effizienzsteigerung gegenüber einer LED, die in der Regel deutlich mehr Leistung benötigt, um die gleiche effektive Beleuchtungsstärke auf dem Sensor zu erzielen.

Eine weitere Eigenschaft von VCSELs wird es DMS- und OMS-Systemen ermöglichen, die Leistungsfähigkeit heutiger LED-basierter Systeme bei weitem zu übertreffen. Konkret handelt es sich dabei um die Fähigkeit, die Ausgangsleistung von VCSELs mit sehr hohen Frequenzen (über 50 MHz) zu modulieren (zu pulsieren). LEDs kommen an diese Werte nicht einmal annähernd heran. 

Der Vorteil dieser schnellen Impulsfolge besteht darin, dass sie für die 3D-Erfassung genutzt werden kann. Dies kann entweder mit der direkten Laufzeitmessung (dToF) oder der indirekten Laufzeitmessung (iToF) erreicht werden. Bei der dToF-Methode wird lediglich die Zeit gemessen, die der VCSEL-Impuls benötigt, um von einem Objekt reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren. Anhand dieser Zeitmessung wird die Entfernung zum Objekt berechnet. Bei iToF nutzt das System die Phasenverschiebung der reflektierten Lichtwelle, um die Entfernung zu bestimmen. Dieser neueste Ansatz kann effektiver sein, wenn Faktoren wie Störungen durch Umgebungslicht oder die Notwendigkeit schneller Entfernungsberechnungen die dToF-Methode erschweren oder weniger genau machen.

Coherent dass ein Wechsel von LEDs zu VCSELs in DMS- und OMS-Systemen die Systemeffizienz und -leistung verbessern wird. Und, was noch wichtiger ist, dass dadurch die Leistungsfähigkeit dieser Komponenten erheblich gesteigert werden kann. Wir gehören bereits zu den weltweit führenden Herstellern von VCSELs für eine Vielzahl von Anwendungen, wobei wir besonderen Wert auf hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz legen. Darüber hinaus versetzt uns unsere vertikale Integration in die einzigartige Lage, AEC-Q102-konforme VCSELs und Beleuchtungsmodule herzustellen und zu verpacken, die es ADAS-Entwicklern ermöglichen, die Vorteile dieser Technologie voll auszuschöpfen.

Erfahren Sie mehr überdie VCSEL-Produkte und -Funktionen Coherent . 

Verwandte Ressourcen