Geniale Ideen zur Verbesserung von ADAS

Dein Auto beobachtet dich. Das ist weder Paranoia noch Science-Fiction. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der Revolution im Bereich der Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Die ADAS-Technologie zielt darauf ab, die Fahrzeugsicherheit und die Fahrleistung zu verbessern, indem sie die Situation innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs überwacht, um Unfälle proaktiv zu verhindern und höchsten Komfort zu gewährleisten.

Im Fahrzeuginneren sind das Fahrerüberwachungssystem (DMS) und das Insassenüberwachungssystem (OMS) zentrale Komponenten des ADAS. Diese wachsamen Augen sorgen für Sicherheit undKomfort. Mithilfe von DMS und OMS lassen sich Ablenkungen und Ermüdungserscheinungen des Fahrers erkennen und sogar unbeaufsichtigte Kinder oder Haustiere im Fahrzeug aufspüren. Dies spielt eine entscheidende Rolle bei der Verwirklichung des ADAS-Ziels, die Zahl der Verkehrsunfälle zu reduzieren. Darüber hinaus können sie durch Funktionen wie Gestensteuerung und Gesichtserkennung zur Fahreridentifizierung beitragen und so das Benutzererlebnis verbessern.

DMS und OMS sind im Wesentlichen fortschrittliche Bildverarbeitungssysteme, deren Leistungsfähigkeit in hohem Maße von der verwendeten Beleuchtungstechnik abhängt. Traditionell liefern LED-Beleuchtungen das erforderliche Licht für Kameras und Sensoren. 

Mit den Fortschritten in der ADAS-Technologie bemühen sich die Entwickler jedoch, die Effizienz und Zuverlässigkeit der DMS- und OMS-Komponenten zu verbessern. Insbesondere wollen sie die Leistungsfähigkeit unter schlechten Lichtverhältnissen und über einen breiten Temperaturbereich hinweg steigern. Zudem streben sie eine Erweiterung der Systemfunktionen an, beispielsweise durch die Integration von 3D-Erkennungsfunktionen. Zu all diesen Zwecken werden vertikal emittierende Oberflächenlaser (VCSEL) als Lichtquelle in Betracht gezogen. 

Im Vergleich zu LEDs bieten VCSELs zahlreiche Vorteile, wie beispielsweise eine verbesserte Tiefenwahrnehmung und eine Minimierung von „Rotlicht“-Störungen. VCSELs könnten diese Schlüsselkomponenten von ADAS-Systemen revolutionieren. In diesem Beitrag untersuchen wir die wichtige Rolle der Beleuchtung in DMS- und OMS-Systemen, beleuchten die Grenzen der LED-Technologie und erörtern das transformative Potenzial von VCSELs für die Verbesserung der Sicherheitsfunktionen von ADAS-Fahrzeugen.

Grundlagen von Überwachungssystemen

Die allgemeine Konfiguration von DMS und OMS ist sehr ähnlich. Sie beleuchten den Zielbereich mit einer Nahinfrarotlichtquelle, erfassen die Bilddaten der Umgebung mithilfe von Kameras und Sensoren und werten diese Daten anschließend mithilfe verschiedener Verarbeitungshardware und -software aus. Die Nahinfrarotbeleuchtung ist die bevorzugte Beleuchtungsmethode, da Nahinfrarotlicht für das bloße Auge unsichtbar ist und somit weder den Fahrer ablenkt noch die Sicht beeinträchtigt, aber dennoch mit kostengünstigen Sensoren problemlos erfasst werden kann. 

Allerdings unterscheiden sich DMS und OMS in einigen Details. Die Hauptfunktion des DMS besteht darin, das Verhalten und die Wachsamkeit des Fahrers zu überwachen.Daher beleuchtet und überwacht ein DMS in der Regel nur einen begrenzten Bereich im Fahrzeuginneren, in dem sich der Fahrer voraussichtlich aufhält. Ein DMS kann Daten zu physiologischen Indikatoren wie den Augenbewegungen, der Kopfposition und sogar der Herzfrequenz des Fahrers liefern. Auf diese Weise kann es potenziell gefährliches Verhalten des Fahrers, wie Ablenkung oder Müdigkeit, erkennen und den Fahrer warnen, wodurch das Unfallrisiko deutlich gesenkt wird.

OMS erweitert diesen Überwachungsbereich auf alle Insassen im Fahrzeug. Diese Systeme erfassen die Anwesenheit, Größe und Position jedes Insassen und optimieren im Falle eines Unfalls Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise die Airbags. Sie sind besonders wichtig für die Erkennung von gefährdeten Insassen wie Kindern und Haustieren.

Coherent VCSEL-Arrays Coherent , die sich für 3D-Sensorik-Anwendungen eignen, bei denen ein großer Erfassungsbereich erforderlich ist, darunter Fahrerüberwachungssysteme (DMS), Insassenüberwachungssysteme (OMS) und Gestenerkennung.

Beleuchtungskonzept

Aus verschiedenen Gründen haben sich Nahinfrarot-LED-Beleuchtungen zu einem tragenden Element von Überwachungssystemen im Fahrzeuginnenraum entwickelt. Zum einen handelt es sich um eine weit verbreitete, bekannte und bewährte Technologie. Im Vergleich zu anderen Beleuchtungstechnologien sind sie zudem sehr kosteneffizient. LEDs zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz aus, was insbesondere in Automobilanwendungen, vor allem bei Elektrofahrzeugen (EV), von Bedeutung ist. Sie sind kompakt, robust, zuverlässig und langlebig. 

Trotz dieser Vorteile weisen LEDs auch Einschränkungen auf. Mit der Weiterentwicklung von DMS und OMS treten diese Nachteile zudem noch deutlicher zutage. 

Ein Hauptproblem bei LEDs ist das sogenannte „rote Licht“. Das von LEDs ausgestrahlte Spektrum ist relativ breit. Daher kann die LED, obwohl ihre maximale Ausgangswellenlänge bei 940 nm im nicht sichtbaren Infrarotbereich liegt, dennoch etwas sichtbares rotes Licht abgeben. Rotes Licht kann den Fahrer visuell stören oder ablenken, insbesondere bei Nacht oder unter anderen Bedingungen mit unzureichender Beleuchtung. Dies beeinträchtigt auch die Ästhetik. 

Wie die meisten Laserquellen erzeugt auch der VCSEL nahezu monochromatisches Licht.Ein 940-nm-VCSEL erzeugt so gut wie kein sichtbares Licht. Daher ist kein rotes Licht vorhanden. 

VCSELs verfügen über ein schmales Ausgangsspektrum, was einen weiteren Vorteil gegenüber LEDs darstellt. Konkret lässt sich durch die Kombination von VCSELs mit optischen „Bandpassfiltern“ das Umgebungslicht (Sonnenlicht und künstliche Lichtquellen) in der Umgebung wesentlich leichter ausblenden. Umgebungslicht kann in Überwachungssystemen Störsignale und Fehler verursachen, was zu falschen Messwerten oder einer verminderten Genauigkeit führen kann. 

Ein Bandpassfilter ist ein optisches Element, das in einem Kamerasystem eingesetzt wird und nur Wellenlängen eines bestimmten Bereichs durchlässt. In Verbindung mit einem VCSEL blockiert ein Bandpassfilter nahezu alle Signale mit Ausnahme eines sehr kleinen Bereichs um die maximale Emissionswellenlänge herum. Er funktioniert auch bei sehr hellem Umgebungslicht (z. B. direktem Sonnenlicht) einwandfrei. Im Gegensatz dazumüssen LEDs breitere Bandpassfilter verwenden, damit ihr gesamtes Licht durchgelassen wird. Dadurch wird jedoch auch mehr unerwünschtes Umgebungslicht durchgelassen. 

Im Vergleich zu LEDs behalten VCSELs auch bei Temperaturschwankungen eine gleichmäßigere Wellenlänge und Ausgangsleistung bei. Diese Stabilität ist in Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie gewährleistet, dass das System bei unterschiedlichen Temperaturen konsistente Ergebnisse liefert. Darüber hinaus verbessert die temperaturunabhängige Wellenlängenstabilität der VCSELs die Eignung für den Einsatz mit Schmalbandfiltern. Andernfalls könnte die VCSEL-Ausgangsleistung außerhalb des Durchlassbereichs des Filters liegen, was die Systemeffizienz beeinträchtigen würde. 

VCSELs weisen eine weitere entscheidende Eigenschaft von Laserquellen auf. Das heißt, sie erscheinen als sehr kleine Lichtquelle, deren Licht in einem relativ engen Winkelbereich abgestrahlt wird. Im Gegensatz dazu bestrahlen LEDs im Grunde genommen die gesamte Hemisphäre. Jeder Versuch, die Lichtleistung einzugrenzen, führt letztendlich zu einer Verschwendung von Licht.

Auf diese Weise lässt sich der Abstrahlwinkel des VCSEL problemlos an das Sichtfeld des Kamerasystems anpassen. Mit anderen Worten: Der VCSEL beleuchtet nur den gewünschten Bereich, ohne dass dabei Licht verloren geht. Dies ist wesentlich effizienter als bei LEDs, da diese in der Regel eine höhere Leistung benötigen, um auf dem Sensor die gleiche effektive Beleuchtungsstärke zu erzielen.

Eine weitere Eigenschaft von VCSELs hebt DMS und OMS deutlich von den Möglichkeiten aktueller LED-basierter Systeme ab. Konkret handelt es sich dabei um die Fähigkeit, das VCSEL-Ausgangssignal mit extrem hohen Frequenzen (über 50 MHz) zu modulieren (zu pulsieren). LEDs sind dazu nicht in der Lage. 

Der Vorteil dieser schnellen Impulse besteht darin, dass sie für die 3D-Erfassung genutzt werden können. Dies wird durch die direkte Laufzeitmessung (dToF) oder die indirekte Laufzeitmessung (iToF) realisiert werden. Bei der dToF-Methode wird lediglich die Zeit gemessen, die der VCSEL-Impuls benötigt, um vom Objekt zurückgeworfen zu werden und zum Sensor zurückzukehren. Aus dieser Zeitmessung wird die Entfernung zum Objekt berechnet. Bei iToF nutzt das System die Phasenverschiebung der reflektierten Lichtwellen, um die Entfernung zu bestimmen. In Fällen, in denen Umgebungslichtstörungen oder die Notwendigkeit schneller Entfernungsberechnungen den Einsatz der dToF-Methode erschweren oder deren Genauigkeit beeinträchtigen, kann diese neuere Methode effektiver sein.

Coherent , dass der Austausch der LEDs in DMS- und OMS-Systemen durch VCSELs die Systemeffizienz und -leistung steigern wird. Noch wichtiger ist, dass dadurch die Funktionalität dieser Komponenten erheblich verbessert werden kann. Als einer der weltweit führenden VCSEL-Hersteller bieten wir Produkte für eine Vielzahl von Anwendungen an, wobei wir besonderen Wert auf hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz legen.Darüber hinaus sind wir durch vertikale Integration in der Lage, VCSELs und Beleuchtungsmodule herzustellen und zu verpacken, die dem AEC-Q102-Standard entsprechen, sodass ADAS-Entwickler die Vorteile dieser Technologie voll ausschöpfen können.

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