Moderne automobile Assistenzsysteme haben alles im Blick: LIDAR-Systeme, 3D-Kameras oder Radargeräte überwachen die Umgebung des Autos, um drohende Zusammenstöße zu erkennen und gegebenenfalls zu verhindern. Nachtsichtsysteme fluten die Straße mit infrarotem Licht und spielen das Bild der Kamera auf ein Display hinter dem Lenkrad. Sogar den toten Winkel und die Fahrbahn-Begrenzungslinien haben die elektronischen Aufpasser im Auge. Im Autoinnenraum beobachten 3D-Kameras den Beifahrer, damit bei einem Unfall die Auslösestärke des Airbags an seine Sitzposition und Größe angepasst wird. Beim Fahrer registrieren Kameras die Lidschlagfrequenz, um beginnende Müdigkeit zu erkennen. Die Bildqualität der Systeme verbessert sich deutlich, wenn die beobachtete Szenerie mit infrarotem Licht zusätzlich ausgeleuchtet wird. Im Außenraum kann man zudem mit den unsichtbaren infraroten Strahlen über die Scheinwerfer hinausleuchten. Die aktuelle Entwicklung leistungsstarker, infraroter LEDs und Laser macht viele dieser Ansätze erst möglich und wirtschaftlich attraktiv. Ende 2009 schätzten die Marktforscher von Strategy Analytics den Bedarf für kamerabasierte Assistenzsysteme im Auto für 2016 auf 50 Millionen Einheiten [3]. Kamerasysteme auf Infrarot-Basis bestehen aus einem CMOS- oder CCD-Kamerachip und einer oder mehreren IR-LEDs. Das beobachtete Objekt reflektiert das infrarote Licht zurück auf die Kamera. Filter vor dem Detektor blenden den sichtbaren Teil des Umgebungslichts aus. Reichweite und Qualität des Systems hängen von der optischen Leistung der Lichtquelle ab: Selbst von schwach reflektierenden Objekten wie dunkel gekleideten Menschen muss genug Licht an der Kamera ankommen. Und auch bei starkem Umgebungslicht muss das Signal-zu-Rausch-Verhältnis am Kamerachip noch gut sein. Für Anwendungen im Autoinnern rechnet man mit ca. einem Watt benötigter optischer Leistung, bei Nahbereichssensoren im Außenraum veranschlagt man etwa 5 W. Nachtsichtsysteme dagegen, die die Straße 200 Meter weit ausleuchten, benötigen wenigstens 10 W Licht.
* Osram Opto Semiconductor
* Osram Opto Semiconductor
* Osram Opto Semiconductor
Vereinfachtes Design
Derart hohe optische Leistungen erreichte man bisher nur über „Nagelbretter“ mit vielen, oft radialen Emittern, die um die Kamera montiert waren. Häufig ist ein solches Design jedoch zu groß oder zu teuer. Den Durchbruch bringt nun die Übertragung von Technologien für die LED-Beleuchtung, also leistungsstarke Chips und Hochstrom-Gehäuse, auf infrarote Bauelemente: So liefert eine Dragon IR-LED mit einem 1 mm2großem Chip knapp vier mal mehr optische Leistung pro mm2Platinen-Fläche als ein radiales Bauelement [1]. Die hocheffizienten Chips in Dünnfilmtechnik emittieren praktisch ihr gesamtes Licht an der Oberfläche. Sie können deshalb zu Arrays mit entsprechend höherer Leistung angeordnet werden – ein Zehn-Chip-Bauteil liefert beispielsweise im Dauerbetrieb bis zu 4 W Licht.
Die passende IR-LED
Ausgangspunkt für die Auswahl des passenden Emitters ist die benötigte Signalhöhe am Kamerachip [1]. Sie hängt ab von der optischen Leistung, dem Abstrahlwinkel und der Wellenlänge der Lichtquelle, von der Empfindlichkeit des Kamerachips sowie vom Abstand und von der Reflektivität des beobachteten Objekts. Diese Faktoren legen die optische Leistung der Lichtquelle fest, daraus ergibt sich die Art und Anzahl der IR-LED. Der Abstrahlwinkel der Emitter muss gut mit dem Sichtfeld der Kamera übereinstimmen, damit die ausgeleuchtete Szenerie vollständig abgebildet wird und wenig optische Leistung verloren geht. Passende Optiken sind für alle gängigen LED-Bauformen kommerziell verfügbar [4]. Ein weiterer Aspekt ist die Wellenlänge: Menschen sollen das infrarote Licht nicht als störend empfinden. Gleichzeitig sind Kamerachips hauptsächlich für sichtbares Licht empfindlich. Ein guter Kompromiss sind 850nm, eine Wellenlänge, die der Mensch praktisch nicht mehr registriert, und bei der die Kamera noch etwa 20 bis 30 Prozent Empfindlichkeit hat. Allerdings nehmen Menschen bei absoluter Dunkelheit – zum Beispiel im Autoinnenraum – noch ein rotes Glühen wahr. Soll das vermieden werden, muss man auf 940 nm Wellenlänge zurückgreifen. Für 3D-Kamerasysteme ist außerdem die Schaltzeit der Lichtquelle ein wichtiges Kriterium. Sie betreiben die IR-LEDs gepulst und messen für jeden Kamerapixel die Zeit, die der Lichtpuls für die Strecke zum Objekt und zurück braucht. Eine Laufzeit von beispielsweise 0,1 Mikrosekunden entspricht einer Entfernung von etwa 15 m. Andere Varianten modulieren die Lichtquelle und messen pixelweise die Phasenverschiebung zwischen der ausgehenden und der ankommenden Welle. In beiden Fällen hängt die erreichbare Auflösung von der Schaltzeit der Lichtquelle ab. Sie soll nicht mehr als zehn Nanosekunden betragen. Hochleistungs-LED liefern zwar auf kleinstem Raum viel Licht, sie entwickeln aber auch trotz hoher Effizienz noch viel Wärme. Wenn die Temperatur an der aktiven Schicht des Chips (Junction-Temperatur) steigt, sinkt die optische Leistung – im Fall einer Dragon-IR-LED mit –0,3 Prozent/°C.
Wärmemanagement
Den Verlust an optischer Leistung durch die zugelassene Erwärmung gleicht man durch eine höhere Zahl an IR-LEDs aus. Zur Erwärmung durch die Verlustleistung tragen unter anderem der verwendete Betriebsstrom, die Pulsdauer, aber auch die Anzahl der IR-LEDs sowie die Packungsdichte bei. Je niedriger der Wärmewiderstand (RthJS) der IR-LED selbst ist, desto einfacher gestaltet sich das thermische Design des Gesamtsystems. Für die Auslegung einer Wärmesenke sind zunächst die maximal tolerierbare Temperaturerhöhung am Chip und die Verlustleistung der IR-LED maßgeblich [1]. Daraus berechnet sich der nötige Wärmewiderstand der gesamten Anordnung. Zusammen mit den entsprechenden Werten für das IR-LED-Gehäuse und für die Leiterplatte ergibt sich der nötige Wärmewiderstand der Wärmesenke. Die Wärmeableitung trägt deutlich zum Platzbedarf bei, wie das Beispiel einer Beleuchtungseinheit mit zwölf Dragon-IR-LEDs (RthJS = 9 K/W) zeigt [1]: Die IR-LEDs sind auf einer Metallkernplatine (Rth = 3,5 K/W) montiert und werden kontinuierlich mit einem Ampere betrieben. Das System soll durch Wärmeentwicklung höchstens 15 Prozent Lichtleistung verlieren. Dies entspricht einer maximal erlaubten Erhöhung der Junction-Temperatur von 50 °C. Um diesen Wert einhalten zu können, ist eine ca. 2,5 cm tiefe Wärmesenke mit einem Wärmewiderstand von etwa 2 K/W nötig.IR-LEDs und LED serreichen heute so hohe optische Leistungen, dass sie unter bestimmten Umständen die Augen gefährden können. Daher wurde 2006 für LED-Beleuchtungssysteme ein eigener Sicherheitsstandard, IEC-62471, eingeführt [2]. Für Lasersysteme gilt nach wie vor die Norm IEC-60825. Im Fall von IR-LEDs besteht die Gefahr v. a. in der Wärmebelastung der bestrahlten Stelle, wobei der empfindlichste Punkt die Augenhornhaut ist. Für sie gilt ein Grenzwert von 100 W/m2. Hochleistungs-IR-LEDs wie Dragon oder Ostar liegen unterhalb dieser Grenze, solange sie ohne externe Optiken betrieben werden. Engwinklige Linsen können jedoch die Strahlstärke so erhöhen, dass die Augen gefährdet sind. Abhilfe schafft z. B. der Betrieb im Pulsmodus. Dann bezieht sich der Grenzwert auf die durchschnittliche emittierte optische Leistung.
Ausblick
Der rasante Anstieg kamerabasierter Assistenzsysteme im Automobil wird unterstützt durch deutliche Leistungssteigerungen bei den infraroten Lichtquellen. So hat zum Beispiel Osram Opto Semiconductors seine Nanostack-Technologie, eine Technik, die pro Chip mehr als eine aktive Schicht ermöglicht, von den Pulslaserdioden auf IR-LEDs übertragen. Die 850-nm-Stack-Chips haben zwei pn-Übergänge und liefern fast doppelt so viel Licht wie bisher. Das Verfahren soll auf 940 nm ausgeweitet werden. Auch drei pn-Übergänge pro Chip sind angedacht. Ebenfalls in der Entwicklung sind kürzere Wellenlängen bis etwa 810 nm. Dies kann im Außenbereich, wo ein rotes Restleuchten nicht stört, die Effizienz des Systems nochmals deutlich steigern. Von den Neuerungen profitieren besonders die leistungshungrigen Nachtsichtsysteme, denen am Markt im Zuge der derzeit in Gang kommenden Umstellung auf LED-Scheinwerfer ein überdurchschnittlich starkes Wachstum prognostiziert wird.☐
Literatur und Links
[1] High Power Emitters for Illumination Applications, Application Note, OSRAM Opto Semiconductors.
[2] Eye Safety of IREDs used in Lamp Applications, Application Note, OSRAM Opto Semiconductors.
[3] Automotive Cameras: Parking Systems Drive Demand, Strategy Analytics, Dec 21 2009, http://www.strategyanalytics.com/default.aspx?mod=ReportAbstractViewer&a0=5221[4] Herstellerportal für LED-Beleuchtung (Listet auch Anbieter von Metallkernplatinen, Wärmsenken oder Linsen für gängige LED-Bauformen): www.ledlightforyou.com.
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