Lichtbasierte Anwendungen im Innen- und Außenbereich von Fahrzeugen dienen heute vielfältigen Zielen: sie helfen dabei Sicherheitsrisiken zu senken, bilden die Grundlage für autonomes Fahren und verbessern Fahrerlebnis und Komfort.

Viele sicherheitsrelevante Systeme basieren auf Infrarotlicht. Zu den Hauptanwendungsgebieten im Automobilbereich zählen beispielsweise Kameralösungen zur Überwachung der unmittelbaren äußeren Fahrzeugumgebung wie Nachtsichtsysteme, Systeme für die Erkennung von Personen oder Objekten im toten Winkel sowie einfache Pre-Crash-Sensorik und Lösungen für den Fußgängerschutz. Das Ausleuchten der Szenerie vor dem Fahrzeug mit Infrarotlicht ermöglicht es, die Fahrzeugumgebung auch bei Dunkelheit sicher zu erfassen.

Systeme für den Exterior-Bereich von Fahrzeugen setzen üblicherweise Halbleiterkomponenten mit einer Wellenlänge von 850nm ein, beispielsweise die Infarot-LEDs derBaureihe IR OSLON Black von Osram Opto Semiconductors, die Teil eines breiten Angebots von Infrarot-Emittern sind. Die Empfindlichkeit einer CMOS-Kamera reicht bei diesen Wellenlängen aus, um Reichweiten von bis zu 200m zu erzielen. Das schwache rote Glimmen, das bei einer Lichtquelle im Bereich von 850nm noch sichtbar ist, ist im Außenbereich beherrschbar, da Systeme, die in die Scheinwerfer integriert sind, durch deren helles, weißes Licht diesen sogenannten „red glow“ überstrahlen.

Der Fahrzeuginnenraum

Infrarotlichtbasierte Systeme haben aber auch die Grundlage für Innovationen im Fahrzeuginneren geliefert. Die Beobachtung des Fahrers sowie dessen Interaktion mit dem Fahrzeug wird immer mehr zu einem zentralen Baustein innovativer Fahrzeuge. Beispiele dafür sind Driver Monitoring - (DMS), Gesture Sensing- (GS) und Passenger Monitoring - (PMS) Systeme. Ersteres verwendet IREDs oder VCSEL, um das Gesicht des Fahrers mit unsichtbarem Infrarotlicht zu beleuchten. Eine Kamera beobachtet dabei das Gesicht und die Augen des Fahrers und kann so feststellen, ob dieser müde oder abgelenkt ist. Auch im Hinblick auf zukünftige, autonome und halbautonome Fahrzeuge sind solche Funktionen besonders wichtig, denn das Auto muss in bestimmten Fahrsituationen die Möglichkeit haben, den Fahrer zu alarmieren oder ihm die Steuerung des Fahrzeugs zurückzugeben.

Gleichzeitig bieten GS-Systeme die Möglichkeit Gesten des Fahrers zu interpretieren und bestimme Funktionen dementsprechend auszuführen. Hierbei wird meist zwischen Basic Gesture Sensing, basierend auf einer IC-Lösung mit diskreten Emittern und Detektoren für einfache Bewegungen, und Complex Gesture Sensing, basierend auf einer 3D-Kamera mit ToF-Technologie für komplexe Gesten, unterschieden.

Zusätzlich dazu bieten sogenannte Passenger Monitoring Systeme die Möglichkeit den kompletten Fahrzeuginnenraum zu überwachen und Personen oder Objekte zu erkennen sowie deren Sicherheit zu gewährleisten (Sitzplatzdetektion, intelligente Airbagsteuerung etc.).

Im Fahrzeuginneren wird Infrarotlicht mit 940nm verwendet, dessen Spektralbereich vom menschlichen Auge praktisch nicht mehr wahrgenommen wird. Während das rote Leuchten im Wellenlängenbereich unterhalb von 900nm bei Systemen im Außenbereich unproblematisch ist, wäre es für Anwendungen im Fahrzeuginneren störend. Hier finden beispielsweise die 940-nm-Varianten der IREDs (Infrared Emitting Diodes) SYNIOS P2720 Verwendung.

Für alle oben genannten Möglichkeiten bietet Osram Opto Semiconductors speziell dafür optimierte sowie den Automobilanforderungen entsprechende Komponenten an, um basierend auf IRED- oder VCSEL-Technologie das jeweilige System zu unterstützen. Typische Umgebungslichtsensoren sind etwa die ALS (Ambient Light Sensor) CHIPLED SFH 5701, deren Erkennungsbereich zwischen 450nm und 700nm liegt, die jedoch – wie das menschliche Auge – im grünen Bereich des Spektrums besonders empfindlich sind. Einen größeren Bereich, bis hin zu 1100nm, decken die Photodioden Silicon PIN im TOPLED D5140-Gehäuse ab

Biometrie hält Einzug in die Automobilindustrie

Weitere Konzepte befassen sich mit der Anpassung des Fahrzeugs in Bezug auf die jeweilig individuellen Bedürfnisse des Nutzers.

Infrarotlicht-basierte, biometrische Anwendungen wie die 3D-Gesichtserkennung oder Iris-Scan sorgen dafür, dass nur befugte Personen das Fahrzeug bedienen können, sichern gleichzeitig aber auch die Datennutzung im Fahrzeuginneren. Der Fahrer wird identifiziert und seine individuellen Einstellungen automatisch angepasst (Innenraumbeleuchtung, Temperatur, Sitzposition, Lieblingsmusik). Bei zukünftigen Car-Sharing-Konzepten müssten die Nutzer so nicht auf ihre persönlichen Vorlieben im Fahrzeug verzichten oder diese immer wieder neu einstellen. Hier finden beispielsweise die im DIL- oder SMD-Gehäuse erhältlichen Umgebungslichtsensoren der Familie SFH ihr Einsatzgebiet.

LiDAR als Wegbereiter für autonomes Fahren

Für den Außenbereich verwenden immer mehr Fahrzeuge Infrarotlaser, die integraler Bestandteil der LiDAR-Systeme für autonomes Fahren und Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sind. Mithilfe der LiDAR-Systeme können autonom agierenden Fahrzeuge Bewegungen von Fußgängern und Fahrzeugen erkennen und entsprechend darauf reagieren.

LiDAR (Light Detection And Ranging) arbeitet nach dem Prinzip eines Radars, verwendet jedoch Lichtpulse, die von einer Infrarot-Laserdiode emittiert werden. Diese Lichtpulse treffen auf Objekte, die das Licht an einen Detektor zurückreflektieren. Mit Hilfe der Zeit, die das Licht für die Entfernung zum Objekt und wieder zurück benötigt, lässt sich die Entfernung bestimmen und gegebenenfalls eine notwendige Reaktion des Autos ableiten.

Die jüngsten Entwicklungen haben LiDAR-Systeme hervorgebracht, die ein sehr genaues, dreidimensionales Bild der Fahrzeugumgebung generieren. Damit wird nicht nur das Registrieren von Objekten, sondern sogar deren Identifizierung ermöglicht. Dies garantiert maximale Sicherheit bei der autonomen Fortbewegung des Fahrzeugs im Straßenverkehr.

Resümee

Diese Beispiele zeigen deutlich wie Licht die Mobilität in Zukunft mitgestaltet. Zunehmend „intelligentere“ und autonomer funktionierende Anwendungen auf Basis von sichtbarem und unsichtbarem Licht sorgen schon in heutigen Fahrzeugmodellen für mehr Sicherheit und Komfort. Optoelektronik spielt dabei eine zentrale Rolle. Dazu gehören neben Anwendungen wie der Innen- und Außenbeleuchtung auch infrarotlicht-basierte Anwendungen für Sicherheits- und Fahrassistenzsysteme.

Die schnelle Weiterentwicklung in der LED-, und Lasertechnik ermöglicht dabei immer neue Design-Optionen, unterstützt die Umsetzung zunehmend intelligenter Systeme und macht diese kompakter, robuster, günstiger und damit tauglich für einen breiteren Markt.