Solid-State LiDAR: MEMS Spiegel für die Umgebungssensorik zum sicheren autonomen Fahren

Abstract:
LiDAR (Light Detection And Ranging) ist eine Technologie zur Messung von Abständen und Geschwindigkeiten durch die Beleuchtung eines Objektes mittels (gepulster) Laserstrahlen. LiDAR-Systeme messen die Zeit, die das von einem Laser ausgesendete Licht benötigt, um die von einem Objekt reflektierten Laserstrahlen mit Hilfe eines Sensors zu detektieren. Neben der reinen Laufzeitmessung können zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses auch modulierende Verfahren, wie FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave), eingesetzt werden. Im Anschluss an die Messungen kann aus den Daten ein dreidimensionales Modell der Umgebung generiert werden, welches dazu dient, die Umgebung präzise digital zu erfassen und die Fahrzeuge sicher in dieser Umgebung zu navigieren. Aktuelle LiDAR-Systeme für das autonome Fahren beruhen auf großen rotierenden Spiegeln um eine Achse, die aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts schwer in Fahrzeuge integrierbar sind. Weitere Nachteile sind die hohen Herstellungskosten und die Anfälligkeit der rotierenden Teile gegenüber Vibrationen und Schock. Auf diese Weise entstehen Messungenauigkeiten, die im schlimmsten Fall zum Ausfall des Systems und Unfällen führen können. Alternativen sind sogenannte Solid-State LiDAR, die ohne beweglichen Teile auskommen und aufgrund ihrer geringen Größe integrierbar sind, allerdings können diese nur schwer Objekte in weiterer Entfernung erfassen. Für sicheres autonomes Fahren sind Erfassungsbereiche von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern notwendig. Insbesondere Flash-LiDAR und MEMS-basierte Scanning-LiDAR-Systeme werden in diesem Kontext zur Fahrzeugumfelderkennung eingesetzt. Scanning-LiDAR-Systeme werden insbesondere zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung von weiter entfernten Objekten eingesetzt. Sie können Laserstrahlen gezielt durch Mikrospiegel steuern und erfassen jeweils Stück für Stück einen Ausschnitt der Szenerie, wodurch sich eine höhere Reichweite realisieren lässt. Kritische Faktoren in der Leistungsfähigkeit der LiDAR-Systeme stellen aktuell die maximale Reichweite, die Auflösung, das Field-of-View, sowie die fehlerfreie Detektion des reflektierten Lichts dar. Hier bieten die mikrosystemtechnischen Komponenten der Forschungskooperation neue Möglichkeiten zu Verbesserung der Leistungsparameter dar. Die MEMS-Spiegel des Fraunhofer IPMS können eine Umgebungserfassung bis zu mehreren hundert Metern gewährleisten. Aufgrund ihres geringen Gewichts und der guten Integrierbarkeit sind die Module trotz ihrer Beweglichkeit vibrationsunempfindlich und können die Umgebung ohne Messunschärfe detektieren. Die aus einkristallinem Silizium gefertigten MEMS-Scanner sind äußerst robust und ermüdungsfrei und erfüllen die Anforderungen sowohl hinsichtlich der optischen Scanbereiche als auch der Schock und Vibrationsstabilität. Damit erfüllen sie die Zuverlässigkeitsanforderungen eines Solid State LiDAR. Das Forscher Team des IPMS konnte, basierend auf diesen herausragenden Eigenschaften, für einen industriellen Partner robuste Mikrospiegel herstellen, die im realisierten LiDAR System Reichweiten von über 250 m möglich machen. Innerhalb des Beitrags werden die Anforderungen an die Entwicklung von Mikrospiegeln für LIDAR-Applikationen dargestellt und auf Schock und Vibrationsbelastungen im Schwerpunkt eingegangen.