Die intelligente Automatisierung wird in den nächsten Jahren viele Anwendungsbereiche revolutionieren. Dynamische Umgebungssituationen wie im Straßenverkehr, in hochmodernen Fabriken oder im Consumer Bereich (Navigation und Virtual Reality) verlangen nach neuartigen 3D-Sensoren.
Heutige Sensoren wie Kameras, Radar und sogenannte Flashlidar-Systeme sind ein erster Schritt. Es gibt jedoch noch immer eine Vielzahl von Situationen, bei denen aktuelle Sensortechnologien an ihre Grenzen stoßen. Dies sind u.a. unvorhersehbare Kollisionsrisiken im Bereich industrieller Automatisierung, komplexer Stadtverkehr mit Autos, Radfahrern und Fußgängern oder auch präzise „Handheld“-indoor-Navigation.
Die Randbedingungen sind dabei unterschiedlich je nach Einsatzgebiet. Im Automobil-Bereich muss die Sensorik unabhängig von den Sichtverhältnissen präzise funktionieren – bei Blendung wie bei Regen oder Schnee. Im Consumer Bereich spielen eine kompakte Bauform und ein niedriger Energieverbrauch bei geringen Kosten eine übergeordnet wichtige Rolle. Letztlich muss eine Basistechnologie potenziell all diese Rahmenbedingungen erfüllen können. Genau dort setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte, dreijährige Verbundprojekt „PLUS - Puls-Laser und Scanner“ an.
Lösungsansatz ist ein so genanntes scannendes Time-of-Flight LiDAR. Das grundsätzliche Messprinzip ist dabei simpel und elegant zugleich. Ein Laserstrahl wird von dem Sensorsystem ausgesandt und an dem Gegenstand bzw. der Person, die detektiert werden soll, reflektiert. Der reflektierte Strahl landet erneut beim Sensorsystem. Über die Zeitdifferenz zwischen Aussendung des Strahls und anschließender Detektion kann der Abstand zum Gegenstand ermittelt werden.
Der LiDAR-Technologiebaukasten
Das Prinzip als solches ist nicht neu. Um die oben beschriebenen Anwendungen zu erschließen, bedarf es allerdings einer bislang nicht erreichten Kombination der wichtigsten Parameter. Dazu zählen u.a. eine hinreichende Leistung, eine hohe Präzision und massenproduktions-taugliche Herstellungsverfahren.
Möglich wird dies zum einen durch sehr kleine Puls-Lichtquelle mit hoher Strahlqualität (für hohe Bildauflösung) zum anderen durch eine sehr kompakte Scanner-Einheit zur präzisen Ablenkung des Lichtes. Konkret wird für den Laser eine Lösung auf reiner Halbleiterbasis verfolgt, bei dem Epitaxiestruktur, Chiplayout und Montage für kurze und intensive Pulse erforscht werden.
Das Laser-Konzept ist nur im Zusammenspiel mit induktiv und kapazitiv angepassten Treiberschaltungen und maßgeschneiderten Optikkonzepten erfolgreich. Untersucht werden sowohl Schaltungen auf Grundlage diskreter Bauteile als auch integrierte Schaltungen auf Silizium-Basis. Für den Scanner wird eine mikromechanische Lösung erforscht, die hohe Scangeschwindigkeiten bei großer optischer Apertur erlaubt.
Die Einzelkomponenten des Gesamtsystems werden sich dabei in den verschiedenen Anwendungsfällen voraussichtlich im Detail unterscheiden. Anvisiert wird deshalb ein „LiDAR-Technologiebaukasten“, bei dem sich das Gesamtsystem den Anforderungen entsprechend aus passenden Lasern, Treibern, Optiken und allen weiteren Komponenten zusammensetzt. Das industriegeführte Konsortium bringt dafür die nötigen komplementären Kompetenzen mit sich.
Das Verbundprojekt PLUS ist im Rahmen der BMBF-Initiative „Effiziente Hochleistungs-Laserstrahlquellen (EffiLAS)“ Anfang Juli 2016 gestartet. Beteiligt sind die Firmen Robert Bosch GmbH, Bosch Sensortec GmbH, Philips Photonics GmbH, Eagleyard Photonics GmbH, FISBA Photonics GmbH, Jena-Optronik GmbH, PicoLAS GmbH, iC-Haus GmbH sowie das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH).
Der Standort Deutschland profitiert von dem Projekt in verschiedenen Ebenen der Wertschöpfungskette. So kann die Spitzenposition in der Optik- und Strahlquellenfertigung weiter gefestigt werden. Die Systemanbieter solcher Sensorlösungen profitieren zudem unmittelbar. Aber auch das produzierende Gewerbe wird durch den Einsatz intelligenter Sensorsysteme in die Lage versetzt, immer effizienter zu produzieren. Zuletzt spielt das Sensorsystem eine wichtige Rolle beim autonomen Fahren, wovon die deutsche Automobilindustrie stark profitiert.