Fraunhofer-Institut für SiliziumtechnologieBei der Entwicklung autonom fahrender Fahrzeuge zählt LIDAR (Light Detection Ranging) als eine unverzichtbare Schlüsseltechnologie. LIDAR-Systeme erfassen mithilfe optisch-basierter Abstandsmessungen sehr genau ihre Umgebung und erzeugen dabei eine präzise bildliche Darstellung für die Benutzerinnen und Benutzer. Die hochauflösenden Messdaten unterstützen damit das selbstfahrende Fahrzeug.
MEMS-Scanner für Weitwinkel-LIDAR-Systeme
Motivation: von großen und teuren LIDAR-Systemen zu kleinen und kostengünstigen
Bisher waren LIDAR Systeme groß und teuer, was ihren Einsatz in Fahrzeugen erschwerte. Deswegen arbeiteten Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher an der Entwicklung eines kleinen und kostengünstigen LIDAR-Systems, dessen Herstellungskosten einer Kommerzialisierung in der Automobilbranche nicht im Weg steht. Ein solches System besteht aus einem Laser, einem Scanner, der die Laserstrahlen aussendet, und einer Fangoptik, die die reflektierten Laserstrahlen ausliest. Dabei kommunizieren die einzelnen Komponenten über geeignete Elektronikschnittstellen miteinander.
Verschiedene Komponenten – ein System
Unter dem Dach der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) entwickelten Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler aus verschiedenen Instituten zusammen mit Partnerunternehmen die einzelnen Komponenten für ein hochauflösendes Weitwinkel-Lidar-System.
Der MEMS-Scanner - ein zentrales Bauelement des LIDAR-Systems
Das Fraunhofer ISIT entwickelte für dieses Vorhaben die MEMS-Scanner (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems). Die Entwicklung dieser Bauelemente war für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine große Herausforderung; sie optimierten beispielsweise die Antriebe der Scanner, damit sie einen großen Auslenkwinkel des MEMS-Spiegels und ein Sichtfeld von 180° erlauben.
Zusätzlich muss das Design der Bauelemente so optimiert werden, dass mechanischer Stress bei diesen großen Winkeln vermieden wird. Auf diese Weise wird ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit erhöht. Auch das mechanische Verhalten von MEMS-Spiegeln unter Shock oder Vibration wurde genau untersucht, um die gute mechanische Stabilität in realen Anwendungsszenarien sicher zu stellen. Zu guter Letzt wurden kuppelförmige Glasdeckel – eine bahnbrechende, innovative Entwicklung aus dem ISIT – auf die MEMS-Spiegel montiert. Einerseits schützen diese Glasdome die Bauelemente vor den Umgebungseinflüssen, andererseits gewährleisten die Glaskuppeln eine Vakuumumgebung und die gute optische Qualität der Bauelemente.
Weltweit eines der ersten und führenden MEMS-basierten LIDAR-Systeme
Entstanden ist ein robuster MEMS-Scanner, der sich durch einen besonders großen Scanwinkel, gute mechanische Robustheit und stabile Langlebigkeit auszeichnet. Das vollständige LIDAR-System ist das weltweit erste MEMS-basierte LIDAR-System und stößt in der Industrie auf großes Interesse, weil dieses System sowohl für Automobil- als auch für Industrieanwendungen einsetzbar ist.