OPA, Mems und MMT: Wer baut den ersten Super-Lidar?

Wenn es eine Konstante in der Diskussion um autonome Autos gibt, dann ist es der Einsatz von Laserscannern als zusätzlichen Sensor bei der Umfelderkennung. Autokonzerne, Zulieferer und Entwickler gehen davon aus, diese sogenannten Lidare einbauen zu müssen – eine Ausnahme ist der Elektroautohersteller Tesla. Doch gegen den massenhaften Einsatz sprechen weiterhin die hohen Kosten der Geräte. Während Festkörper-Lidare immer noch auf sich warten lassen, setzen andere Anbieter auf neue und andere Techniken.

Der breiten Öffentlichkeit ist die Lidar-Technik vor allem durch Googles autonome Testautos bekanntgeworden. Auf dem Dach der kleinen Kugelautos rotierte ein Laserscanner des US-Herstellers Velodyne für den Preis eines Oberklasse-Wagens. Das selbstfahrende Testauto der General-Motors-Tochter Cruise Automation hat gleich fünf Lidare auf dem Dach. Konsequenterweise kaufte das Unternehmen im Oktober 2017 gleich das Lidar-Startup Strobe. Die Google-Schwesterfirma Waymo überraschte kürzlich die Konkurrenz mit der Ankündigung, seine selbstentwickelten Sensoren vermarkten zu wollen. Allerdings nicht an Autohersteller.

Um für den Massenmarkt tauglich zu sein, müssen die Laserscanner mehrere Anforderungen erfüllen: Die Sensoren müssen auch unter härtesten Bedingungen funktionieren und Vibrationen oder hohe Temperaturunterschiede wegstecken. Je nach Anwendung müssen sie eine große Reichweite von einigen Hundert Metern haben oder Objekte in unmittelbarer Nähe erkennen. Die Auflösung sollte dabei groß genug sein, damit die Erkennungssoftware aus den reflektierten Bildpunkten Objekte klassifizieren kann. Zu guter Letzt sollen die Geräte so günstig sein, dass die erforderliche Ausstattung mit vier, fünf Sensoren die Autos nicht extrem teuer macht.

Erwartungen an Quanergy bislang unerfüllt

Aus diesem Grund horchte die Branche vor einigen Jahren auf, als das US-Startup Quanergy günstige Lidare ohne bewegliche Teile ankündigte. Die Herausforderung bei einem Festkörper-Lidar besteht darin, den Laserstrahl ohne bewegliche Teile wie Spiegel und rotierende Laserdioden so abzulenken, dass ein bestimmtes Sichtfeld in horizontaler und vertikaler Ebene abgedeckt wird. Dies will Quanergy mit Hilfe einer optischen Phasenverschiebung erreichen, einem sogenannten (Optical Phased Array) – abgekürzt OPA. Ein "phasengesteuertes Feld" wird beispielsweise bei militärischen Radaranlagen seit Jahrzehnten verwendet. Beim OPA wird das Feld durch eine Vielzahl optischer Antennen erzeugt. Bei Phasengleichheit wird der Laserstrahl gerade nach vorne ausgestrahlt. Mit einer Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Antennen lässt sich der Strahl hingegen ablenken.

Doch Quanergy konnte die hohen Erwartungen bislang nicht erfüllen. Zuletzt sagte Firmenchef Louay Eldada dem Magazin IEEE Spectrum, dass die Fertigungsprobleme nahezu überwunden seien. Allerdings soll der Quanergy-Lidar weder die angekündigte Reichweite von 200 Metern erzielen noch für den günstigen Preis von 250 Dollar erhältlich sein. Geeignet sei der Sensor auch für den unmittelbaren Nahbereich. Die Bundesregierung fördert derzeit ein OPA-Forschungsprojekt (PDF), an dem auch der Stuttgarter Automobilzulieferer Bosch beteiligt ist.

Flash-Lidare für kurze Entfernungen

Für kurze Entfernungen gibt es bereits sogenannte Flash-Lidare. Hierbei senden die Geräte Laserimpulse aus, deren Reflexionen von einem Sensor registriert werden. Der vom Automobilzulieferer Continental auf der CES 2017 präsentierte Sensor kann allerdings nur Objekte in einer Entfernung von bis zu 30 Metern wahrnehmen. Zudem reagieren solche Flash-Lidare empfindlich auf Gegenlicht. Um eine zuverlässige Umgebungserkennung zu gewährleisten, braucht es auf jeden Fall noch Systeme, die über eine größere Reichweite verfügen.

Das lässt sich derzeit doch nur mit Systemen erreichen, die den Laserstrahl mehr oder weniger mechanisch ablenken. Um Größe und Kosten von Rotationslasern zu reduzieren, haben Unternehmen in den vergangenen Jahren sogenannte mikro-elektromechanische Systeme (Mems) entwickelt. Solche Mems arbeiten mit Mini-Spiegeln, die den Laserstrahl auf das Sichtfeld projizieren. Allerdings wird diesen Mems nachgesagt, dass sie aufwendig ausgerichtet werden müssen und störanfällig gegenüber Erschütterungen sind. Inzwischen gibt es zahlreiche Anbieter für Mems-Lidare. Das US-Magazin Ars Technica nannte kürzlich die Firmen Luminar, Aeye, Blackmore und Innoviz. Ebenfalls erwähnt wurde das Startup Cepton, das jedoch eine spezielle Art der Laser-Steuerung verwendet.