CMOS Image Sensors – LiDAR

Die dreidimensionale Erfassung der Umgebung oder von Objekten ist von entscheidender Bedeutung in Anwendungen wie Fahrerassistenzsystemen, autonomen Fahrzeugen oder der industriellen Robotik und Messtechnik.

Das LiDAR (von engl. Light Detection And Ranging) Messprinzip beruht auf der Bestimmung der Dauer zwischen dem Aussenden eines Laserpulses und dem Empfangen des reflektierten Lichts. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann aus dieser Dauer direkt die Entfernung zum reflektierenden Objekt bestimmt werden. In LiDAR Kameras wird aus vielen dieser Messungen ein dreidimensionales Bild der Umgebung erstellt. Möglich sind sowohl scannende Verfahren, die die Umgebung punkt- oder zeilenweise erfassen, als auch sogenannte Flash LiDAR, die die Umgebung mit einem einzelnen Laserpuls beleuchten.

Grundlegende Elemente von LiDAR Systemen sind:

• Sender: eine Laserstrahlquelle, die kurze Lichtpulse aussendet. Typische Wellenlängen sind 905 nm oder 1550 nm.
• Empfänger: Es werden hochempfindliche Sensoren eingesetzt, die das von einem Objekt reflektierte Licht detektieren.
• Hochauflösende Zeitschaltungen, die die vergangene Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Laserpulses bestimmen.
• Algorithmen zur Signalverarbeitung, die Operationen zur Signalfilterung durchführen und die Distanz zum Objekt berechnen.

Gerade in komplexen, dynamischen Szenarien, wie sie im Straßenverkehr oft vorkommen, sind LiDAR Kameras auf schnelle, verlässliche und dabei kostengünstige Detektoren angewiesen. Leistungen des Fraunhofer Institut für mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Zusammenhang mit LiDAR umfassen die Entwicklung und Fertigung von integrierten Detektoren und Ausleseschaltungen über die Signalverarbeitung bis hin zur Systemsimulation und die Entwicklung von LiDAR Kameras. Kernkompetenz sind dabei die Entwicklung und Fertigung hochdynamischer CSPAD Detektoren. Dabei handelt es sich um SPAD (für engl. single-photon avalanche Dioden) mit integrierter Ausleseelektronik, die in einem Standard CMOS-Prozess gefertigt werden. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung der Detektoren und eine kompakte Bauweise und ist besonders in Anwendungen von Vorteil, die eine hohe Auflösung erfordern.

Neben der Detektorentwicklung gehört zur Expertise des Fraunhofer IMS ebenso die Signalverarbeitung und die Forschung an adaptiven Schaltungen, die eine Anpassung der Detektoren an die Intensität des Hintergrundlichts ermöglichen und damit die Dynamik der Messung signifikant erhöhen. Weiter werden am Fraunhofer IMS einfach zu handhabende Plug&Play LiDAR-Kameraysteme wie die LiDAR-Kamera Owl entwickelt, mit denen die Leistungsfähigkeit der CSPAD Sensoren und der entwickelten Algorithmen in realistischen und anwendungsspezifischen Messszenarien evaluiert werden können. Darüber hinaus können kundenspezifische Modifikationen an den Kameras vorgenommen werden. Damit wird zum Beispiel Laserherstellern die Möglichkeit gegeben, ihre Laserdioden in LiDAR Anwendungen zu erproben. Andere typische Kooperationsmöglichkeiten sind Machbarkeitsstudien, kundespezifische Chipentwicklungen, aber auch Prozess- und IP-Transfers.