IR Optiken für Nachtsicht- und Fahrerassistenzsysteme Anwendungsbeispiele
    Application Note: IR Optiken für Nachtsicht- und Fahrerassistenzsysteme Anwendungsbeispiele

    HERAUSFORDERUNG Schlechte Sicht – insbesondere in der Nacht oder bei extremen Wetterbedingungen wie Nebel, Rauch, Starkregen oder Schneefall - ist eine der häufigsten Unfallursachen weltweit¹. Um die Sicherheit im Fahrzeug zu erhöhen und Fußgänger gerade bei solch herausfordernden Bedingungen zu schützen, verfügen immer mehr Fahrzeuge über Nachtsichtsysteme. Bei der Entwicklung von Optiken für diese Systeme muss eine hohe Wärmebildqualität und eine große Reichweite zur Objekterkennung gewährleistet werden, um das Kollisionsrisiko zu minimieren und die höchste Performance sicher zu stellen.

    HINTERGRUND Studien zur Unfallforschung haben sich intensiv mit Tageszeiten und Wetterbedingungen zum Unfallzeitpunkt auseinandergesetzt. Es zeigte sich, dass 44% aller schweren Zusammenstöße in der Nacht² passierten. Schlechte Sicht ist demnach ein entscheidender Faktor, der zu Unfällen und Todesopfern führt. Um dem entgegen zu wirken, werden immer mehr Fahrzeuge mit Nachtsichtassistenten ausgestattet. Sie ermöglichen es, Risiken in Fahrzeugen auch bei Dunkelheit, Rauch oder Nebel früh zu erkennen. Insgesamt lässt sich ein Trend hin zu umfangreichen Fahrerassistenzsystemen, im Englischen Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), beobachten. Führende Automobilhersteller investieren Milliarden Euro in die Entwicklung von Systemen, die teil- oder vollautonomes Fahren ermöglichen, Kollisionen vermeiden oder vor Gefahren warnen.

    ADAS kann dabei sowohl passiv oder aktiv sein. Passive Systeme informieren den Fahrer über mögliche Risiken und geben ihm Zeit zu reagieren. Aktive Sicherheitssysteme reagieren im Ereignisfall selbstständig. Die Systeme sind darauf ausgelegt, die Sicherheit auf den Straßen zu maximieren und die Zahl der Zusammenstöße zu minimieren, die auf menschliche Fehler zurückzuführen sind.


    Abb.1: Nachtsicht – Sicht vs. Thermische Bildgebung

    Bildgebende Standardsysteme, die auf Kameras mit sichtbarem Licht basieren, benötigen Sonnenlicht oder Straßenleuchten. Bei schwachem Licht sind sie nur bedingt nutzbar. Bildgebende Systeme, die auf thermischen Verfahren basieren, nutzen die Wärmestrahlung, die von allen Objekten ausgeht und wandeln diese in ein Bild um. Dieses kann auch bei vollständiger Dunkelheit erzeugt werden.

    Eine kürzlich von amerikanischen Verband AAA durchgeführte Studie³ zu Automatischen Notfallbremssystemen (Automatic Emergency Braking -AEB) untermauert den Bedarf an Wärmebildkameras in Fahrzeugen mit ADAS. Die Studie zeigte auf, dass AEB Systeme zur Fußgängererkennung in der Nacht komplett wirkungslos sind. Die vier betrachteten Fahrzeugmodelle waren mit

    Radar und Kameras für sichtbares Licht ausgestattet, aber nicht mit thermischen Kameras. Am Tag konnten die Fahrzeuge einen Großteil von Kollisionen mit Erwachsenen verhindern (ca. 40% bei einer Geschwindigkeit von 20 mph - 32,2 km/h). In der Nacht konnte das AEB - unabhängig von der Geschwindigkeit - keinen einzigen erwachsenen Fußgänger entdecken. Ohne thermische Kamera kann das System nur tagsüber verwendet werden.

    Doch auch ein thermisches Kamerasystem reicht noch nicht per se. Um eine wirkliche Nachtsicht zu erlangen, muss das System mit einer hochsensitiven, leistungsstarken, athermalisierten (bleibt bei allen Temperaturen im Fokus) Linse ausgestattet sein. Sie ermöglicht es, größere Entfernungen abzudecken und Objekte zu klassifizieren, so dass dem Fahrer ausreichend Zeit bleibt und er genügend Informationen erhält, um zu reagieren. Diese Optiken müssen ihre Leistungsfähigkeit auch bei härtesten Umgebungsbedingungen beibehalten.

    PROBLEM Entwicklung leistungsfähiger Optiken für die Automobilindustrie beinhaltet viele Herausforderungen

    Die hohe Bildqualität von ADAS und AV-(Autonomous Vehicles)-Systemen basiert auf Algorithmen Künstlicher Intelligenz, die die empfangenen Bilder in Echtzeit analysieren, mögliche Hindernisse oder Personen erkennen und entsprechende Aktionen ergreifen, um Kollisionen zu vermeiden. Selbstverständlich müssen die Systeme, um effizient zu arbeiten, Objekte aus großer Entfernung erkennen, so dass Aktionen rechtzeitig und mit hoher Zuverlässigkeit eingeleitet werden können. Fehlalarme müssen unter allen Umständen vermieden werden. Um diese Ziele zu erreichen, müssen die Bilder in höchster Qualität vorliegen, z.B. beugungsbegrenzt. Sowohl der IR Detektor als auch die Linse müssen dafür höchste Qualitätsstandards erfüllen. Werden die am weitesten entwickelten IR-Detektoren verwendet, erfordert dies eine Verbesserung der Linsenqualität, um die Vorteile der Detektorleistung überhaupt nutzen zu können. In anderen Worten: Die Linsenqualität ist entscheidend. Eine geringwertige Linse wird ein geringwertiges Bild erzeugen, selbst mit dem besten Detektor. Um die hohe Leistungsfähigkeit der Detektoren voll auszuschöpfen, erfordert es geringere F-Zahlen und engere Toleranzen, so dass Linsen mit minimalen Abbildungsfehlern entstehen. Die Optiken sollten zusätzlich verfügen über:

    • Kompakte Abmessungen
    • Athermalisation – wichtig für die volle Funktionsfähigkeit während des Fahrens.
    • Volle Funktionsfähigkeit bei allen Umweltbedingungen – auch bei extremen Temperaturen, hoher Luftfeuchte, stärkeren Erschütterungen und Vibrationen, Schlägen oder beim Kontakt mit Chemikalien, Salznebel und Flugsand.
    • Geringe Kosten – die Herausforderung ist es, eine Linse zu entwerfen und zu produzieren, die hohe Qualität zu günstigen Preisen bietet, um auch im Massenmarkt konkurrenzfähig zu sein.

     

    LÖSUNG Um die Anforderungen an Nachtsichtsysteme mit thermischen Sensoren zu erfüllen, bringt Ophir die gesamte Erfahrung und das Wissen ein, das im Unternehmen in vielen Jahren der Entwicklung und Produktion von Linsen für die Automobilindustrie gesammelt wurde. Ausgehend von verschiedenen innovativen optischen und mechanischen Designalternativen, analysieren die Experten zunächst die Vorteile jeder Variante und wählen unter Kosten-Nutzenaspekten die effizienteste Designalternative aus. Dabei werden nominale Leistung, Toleranzempfindlichkeit, Herstellbarkeit, Rohmateri alkosten und -verfügbarkeit, Produktionskosten, Testmöglichkeiten und Risiken betrachtet.

    Häufig werden auch asphärische und diffraktive Oberflächen verwendet, um Abbildungsfehler zu reduzieren und die Bildqualität zu erhöhen, während gleichzeitig die Zahl der optischen Elemente reduziert wird. Dadurch verringern sich Größe, Gewicht und Kosten. Mittels der Diamant- Drehtechnik ist es möglich, solche asphärischen und diffraktiven Oberflächen mit außergewöhnlich hoher Präzision und Qualität herzustellen. Asphärische Linsenoberflächen werden angestrebt, speziell wenn es um Infrarotoptiken geht, da hier die optische Leistung gegenüber ihrem sphärischen Pendant deutlich höher liegt. Asphärisch-diffraktive Linsenoberflächen ermöglichen die Integration mehrerer Funktionen wie beispielsweise die Korrektur chromatischer und sphärischer Abbildungsfehler.

    Produktfunktionen Im Bereich Nachtsicht- und ADAS-Systeme bietet Ophir Optiken, die folgende Fähigkeiten besitzen:

    • Hohe Modulation Transfer Function (MTF)
    • Bis zu 51.1° HFOV
    • QVGA or VGA resolution availability, at 12, 17 and 25 μm pixel pitch
    • QVGA- oder VGA-Auflösung verfügbar bei einem Pixelabstand von 12, 17 und 25 μm
    • Produktion in hohen Stückzahlen

     

    Nach der Auswahl des Designs beginnt Ophir mit der Produktion von Prototypen. Dabei werden modernste Produktionsverfahren und effiziente Fertigungsprozesse angewendet, um optische IR-Komponenten höchster Qualität herzustellen. Nach der Produktion der optischen Elemente folgt der Zusammenbau und der Test der Linsen im voll ausgestatteten R&D Labor. Der ganze Prozess stellt eine hohe Qualität und kosteneffiziente Produktion für den Automobilmarkt sicher.


    Abb. 2: Night Vision3 | 12.8mm f/1

    Ophir hat Stand heute schon hunderttausende Linsen für den Automobilbereich geliefert. Ausgehend von der zweiten Produktgeneration – Night Vision 2 (NV2) für 320x240 25μm FPA, über die aktuelle dritten Generation – Night Vision 3 (NV3) – für 320x240 17μm FPA geht es nun weiter zur nächsten Generation – Night Vision 4 (NV4) für 640x480 12μm FPA.

    SCHLUSSFOLGERUNG
    Nachtsichtsysteme mit thermischer Bildgebung für Fahrzeuge sind entscheidend für die Zukunft der ADAS- und AV-Märkte. Linsen mit hoher Qualität zu günstigen Preisen, die dafür benötigt werden, stellen eine echte Herausforderung hinsichtlich Design und Produktion dar. Die Linsen müssen bei schlechtesten Lichtverhältnissen qualitativ hochwertige thermische Bilder liefern, so dass die Nachtsichtsysteme mögliche Gefahren aus ausreichender Entfernung detektieren können. Als führender Hersteller in diesem Bereich, liefert Ophir nun das fortschrittlichste Design – Night Vision 4 für 640x480 12μm Pixel FPA.


    Abbildung 3 zeigt die beeindruckende optische Leistung der 680177 – NV3, 12.8mm f/1, die nah am theoretischen Maximum (Diffraktionsgrenze) liegt.

    QUELLEN:
    1. Safety Impact of New Technologies: Impact of New Technologies, OECD, 2013.
    2. https://crashstats.nhtsa.dot.gov/Api/Public/ViewPublication/ 812384
    3. https://newsroom.aaa.com/2019/10/aaa-warns-pedestrian- detection-systems-dont-work-when-needed-most

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