Was ist ein Lidar-Sensoren?
Lidar-Sensoren ist ein allgemeiner Begriff für ein Gerät, das die Entfernung zu einem Objekt und dessen Form misst, indem es einen Laserstrahl aussendet und das reflektierte oder gestreute Licht erfasst.
Bei den Lidar-Sensoren ist LiDAR die Abkürzung für “Light Detection and Ranging”, also “LIDAR”. Er wird insbesondere häufig zur Messung der Lichtlaufzeit verwendet und auch als TOF-Sensor (Time-of-Flight) bezeichnet.
Frequenzkontinuierliche Modulationsverfahren, die den Dopplereffekt nutzen, werden ebenfalls für fortgeschrittene Messungen eingesetzt und als FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Wave) bezeichnet. Diese Art der Technologie zur Messung von Entfernungen aus der Ferne wird als Fernerkundungstechnologie bezeichnet.
Anwendungen von Lidar-Sensoren
Die derzeit typischen Anwendungen von Lidar-Sensoren sind die automatische Fahrtechnik in Autos und die Bilderkennungstechnik für Smartphones usw. Ursprünglich wird diese Technologie seit langem in der Flugzeugradar- und Wetterbeobachtung eingesetzt.
In jüngster Zeit ist sie zusammen mit ADAS zu einem unverzichtbaren Element für die Verwirklichung der Technologie des automatisierten Fahrens geworden, z. B. für die Erkennung von Hindernissen und Fahrzeugen in der Nähe in Fahrzeugen, und wird aktiv in Bezug auf Miniaturisierung und Kostenreduzierung entwickelt.
Darüber hinaus beginnen ADAS in Fabriken, in Kombination mit Bildverarbeitungsgeräten und Smartphone-Kameras eingesetzt zu werden, um die Unschärfe in der Fotografie zu verbessern, sowie als Technologie für VR (Virtual Reality) und AR (Augmented Reality). Die Verwendung von LiDAR-Sensoren in Apples iPhone 12Pro und iPhone 12ProMax hat den Bekanntheitsgrad von LiDAR-Sensoren ebenfalls drastisch erhöht.
Das Prinzip von Lidar-Sensoren
Das Prinzip der LiDAR-Sensoren besteht aus einem Laser als Lichtquelle und einem Lichtempfangselement, das die Entfernung zu einem Objekt misst, indem es das ausgesendete Laserlicht mit Hilfe eines physikalischen Verfahrens empfängt. Bei der TOF-Methode beispielsweise, die derzeit am häufigsten verwendet wird, wird die Entfernung zu einem Objekt durch Messung der Zeit bestimmt, die der Laserstrahl benötigt, um aufgrund von Reflexion oder Streuung zum Objekt zurückzukehren (Time-of-Flight, TOF).
Es gibt zwei Arten der Bestrahlung eines Laserstrahls: die Breitfeld-Bestrahlung und die Abtastung, bei der der Laserstrahl in eine bestimmte Richtung gestrahlt und dann abgetastet wird.
1. Breitfeld-Beleuchtungsmethode
Die Weitfeld-Beleuchtungsmethode wird auch als TOF-Kamera bezeichnet, da sie wie eine gewöhnliche Kamera verwendet werden kann: Sie kann mit einem einzigen Lichtstrahl Informationen über das gesamte Sichtfeld auf einmal erfassen, und das optische System ist äußerst einfach, so dass es sich um ein relativ kostengünstiges Gerät handelt.
Allerdings muss der Laserstrahl so gestreut werden, dass er den gesamten Sensor abdeckt, was die Photonendichte pro Pixel verringert, und sie ist anfällig für Umgebungslicht usw. und hat den Nachteil, dass sie einen kurzen Messabstand hat.
2. Scanning-Verfahren
Bei der Scanning-Methode hingegen wird der Laserstrahl mit Hilfe von Spiegeln abgetastet. Es gibt zwei Arten von Abtastsystemen: das Punktabtastsystem, das jedes Pixel abtastet, und das Zeilensystem, das jede Zeile abtastet. Ersteres ist genauer, erfordert aber mehr Messzeit, so dass die Zeilenscan-Methode, die die entgegengesetzte Eigenschaft hat, verwendet wird, wenn keine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist.
Weitere Informationen über Lidar-Sensoren
1. Unterschiede zwischen TOF- und FMCW-Verfahren
Es gibt zwei Erfassungsmethoden für Lidar-Sensoren, die TOF-Methode (Time-of-Flight) und die FMCW-Methode (Frequency Continuous Modulation), wobei der Hauptunterschied in der physikalischen Größe besteht, die für die Entfernungserfassungsmethode verwendet wird: Bei der TOF-Methode wird die Zeit gemessen, die ein gepulster Laserstrahl benötigt, um von einem Objekt zurückgeworfen zu werden, um die Entfernung zu messen. Die FMCW-Methode nutzt den Dopplereffekt der vom Objekt reflektierten Welle, wenn eine kontinuierliche Welle mit unterschiedlichen Frequenzen ausgestrahlt wird, um die Entfernung zu messen.
Die TOF-Methode ist im Prinzip einfacher und kann die Kosten für Lidar-Sensoren senken. Da es jedoch schwierig ist, zu unterscheiden, ob das auf ein Objekt abgestrahlte Laserlicht vom Benutzer oder von einer anderen Quelle stammt, ist es unwahrscheinlich, dass es sich als Haupttechnologie für die derzeitige automatisierte Fahrtechnik durchsetzt.
Auch bei der FMCW-Methode gibt es Probleme, die für das automatisierte Fahren gelöst werden müssen, wie z. B. das Kohärenzproblem, das den Messabstand und die Kostenreduzierung einschränkt, aber fortgeschrittene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Lösung dieser Probleme werden derzeit vor allem von Forschungsinstituten in der ganzen Welt durchgeführt.
2. Kameras für LiDAR-Sensoren
Lidar-Sensoren und Kameras sind normalerweise voneinander getrennt. Wenn Lidar-Sensoren und Kameras jedoch getrennte Einheiten sind, tritt bei der Kombination von Lidar-Sensoren und Kameradaten eine leichte Parallaxe auf, so dass keine hohe Genauigkeit erzielt werden kann. Aus diesem Grund gibt es jetzt einen Sensortyp, der Kamera und Lidar-Sensor zu einer Einheit verbindet.
Dieser Sensortyp kann durch die Kombination der Daten von Kamera und Lidar-Sensoren hochauflösende 3D-Bilder erzeugen. Er ermöglicht außerdem hochpräzise Messungen ohne Parallaxen- und Verzerrungsunterschiede und wird daher voraussichtlich als Fahrzeugsensor eingesetzt werden.
3. Nachfrageprognose für Lidar-Sensoren
In letzter Zeit hat sich die Forschung und Entwicklung im Bereich des automatisierten Fahrens, vor allem durch die Toyota Corporation, stark entwickelt, und die Industrie für Lidar-Sensoren und Laser hat sich dementsprechend aufgeheizt.
Das Marktforschungsunternehmen Yano Research Institute prognostiziert, dass der Markt für Lidar-Sensoren und Laser bis 2030 auf 495,9 Milliarden JPY ansteigen wird. Ein anderes Marktforschungsunternehmen, Yor Development, prognostiziert (in einer Studie aus dem Jahr 2019), dass die Marktgröße von Lidar-Sensoren bis 2024 auf 6 Milliarden US-Dollar ansteigen wird.
Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach Lidar-Sensoren weiter steigen wird, insbesondere in den Industrieländern.