Im Herzen der Sensoren – MEMS-Technologie für LiDAR

MEMS LiDAR-Sensoren bieten eine kosteneffiziente und skalierbare Lösung für präzise Abstandsmessungen in einer Vielzahl von Anwendungen. Der entscheidende Faktor bei der Entwicklung dieser Sensoren ist die Größe des MEMS-Spiegels. Wie wird die optimale Größe dieses Spiegels bestimmt und welche technischen Überlegungen spielen eine Rolle? Dieser Blogbeitrag erläutert die Faktoren, die bei der Optimierung von MEMS LiDAR-Systemen berücksichtigt werden müssen.

Anforderungen an leistungsstarke MEMS LiDAR-Sensoren

Für MEMS LiDAR-Sensoren ist es entscheidend, hohe Reichweite, ein großes Sichtfeld und eine hohe Auflösung zu bieten. Diese Anforderungen erfordern eine präzise Abstimmung der verschiedenen Komponenten, einschließlich des Spiegels. Die MEMS-Technologie, bekannt für ihre Skalierbarkeit und Kosteneffizienz, bietet eine robuste Grundlage für die Entwicklung von LiDAR-Systemen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Durch den Einsatz von Silizium-basierten Mikrosystemen können Hersteller identische, hochqualitative Komponenten in großen Stückzahlen produzieren, was den breiten Einsatz von MEMS LiDAR-Sensoren in verschiedenen Industrien ermöglicht.

Hohe Reichweite durch optimierte Laserquellen

Die Reichweite eines MEMS LiDAR-Sensors ist ein zentrales Kriterium für seine Leistung. Um eine zuverlässige Objekterkennung über größere Distanzen zu gewährleisten, muss sowohl der Emitter als auch der Detektor optimiert werden. Ein wichtiger Bestandteil der Optimierung ist die Wahl der Laserquelle. Bei MEMS LiDAR-Systemen kommen zwei Hauptwellenlängen zum Einsatz:

• Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1550 nm bieten hohe Energie und damit eine größere Reichweite, sind jedoch groß, komplex und teuer.
• Laserdioden mit einer Wellenlänge von 905 nm sind kompakt, kostengünstig und weit verbreitet, aber aufgrund von Sicherheitsvorschriften in Bezug auf die Augen begrenzt in der Strahlstärke.

Obwohl die Wahl des Emitters eine bedeutende Rolle spielt, ist die Gestaltung des Detektors—insbesondere die Größe der Apertur—ebenfalls entscheidend für die Reichweite und Auflösung des Systems.

MEMS-Spiegel: Die optimale Größe finden

Die Optimierung auf Emitter-Seite ist also begrenzt. Wie sieht es aus, wenn das Licht zurückkommt, auf der Detektor-Seite? Hier spielt die Apertur eine wichtige Rolle für eine hohe Reichweite. Sie beschreibt die Größe der Detektorfläche. Im Fall von unserem MEMS-basierten Aufbau entspricht die Apertur der Spiegelgröße. Um möglichst viel Licht aufzufangen, wird eine große Apertur, also ein möglichst großer Spiegel, benötigt. Die Spiegelgröße wird allerdings auch von bestimmten Faktoren begrenzt – es gilt also, die optimale Größe auf Basis dieser Faktoren zu berechnen. Hierzu müssen die zu empfangende Photonenzahl, die Kollimation, Ablenkwinkel und die Resonanzfrequenz betrachtet werden.

Photonenzahl

Zum einen hängt die Größe des Spiegels davon ab, wie viele Photonen ausgesendet werden müssen, damit eine ausreichende Anzahl an Photonen zurückkommt, um ein Objekt genau zu erkennen. Diese Mindestanzahl an Photonen lässt sich gemäß der Leistungsübertragungsbilanz, oder auch des Link Budgets, mit guter Genauigkeit berechnen. Hierbei wird mit einbezogen, wie viele Photonen auf die Distanz und durch wenig reflektive Oberflächen verloren gehen; zudem wird die homogene Streuung von Licht sowie die Detektoreffizienz beachtet. Auf diese Weise lässt sich abschätzen, wie viele Photonen ausgesandt werden müssen, also wie groß die Apertur sein muss, damit eine Mindestanzahl an Photonen wieder detektiert werden kann.

Zudem sind Blickfeld-Sensoren koaxial aufgebaut, das heißt, dass nur das Licht wieder aufgefangen wird, das auf dem gleichen Weg zurückkommt, wie es ausgesandt wurde. Das hat den Vorteil, dass keine anderen Lichtsignale aufgenommen werden, die das Bild stören oder verfälschen.

Kollimation

Um möglichst hochaufgelöste Daten zu erhalten, die auch kleine Objekte zuverlässig identifizieren, muss der Laser gebündelt auf ein Objekt treffen. Diese Bündelung wird durch die Kollimation beschrieben. Erreicht wird diese, indem vor dem Laser eine Linse platziert wird. Nun kommt wieder die Spiegelgröße ins Spiel: Der Spiegel muss exakt so groß sein, dass er das gesamte Licht, das durch die Linse kollimiert wird, ablenken kann. Dies hängt von der Brennweite ab, die für eine optimale Kollimation und damit eine hohe Auflösung benötigt wird.

Resonanzfrequenz

MEMS-Spiegel schwingen mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. Hierzu werden sie mit Hilfe von integrierten Aktoren angestoßen, benötigen also keinen Motor oder andere mechanische Antriebe. Dies ist von Vorteil, da Motoren und sich bewegende Teile sich abnutzen und regelmäßig gewartet werden müssen. Diese Problematiken entfallen bei einem Anstoß durch integrierte Aktoren.

Die Resonanzfrequenz, mit der ein Spiegel schwingt, hängt von der Größe und Befestigung des Spiegels ab. Hierzu haben wir eine proprietäre Einbettung der Spiegel entwickelt, um besonders große Spiegel einsetzen zu können. Durch den außergewöhnlich hohen Durchmesser können besonders viele Photonen auf die Szene und zurück auf den Detektor gelenkt werden, wodurch Blickfeld LiDAR-Sensoren eine hohe Reichweite erzielen.

Zudem sind die Spiegel dank ihrer Größe robuster als herkömmliche Produkte, die nur wenige Millimeter Durchmesser haben, und verfügen durch ihre Leichtbauweise dennoch über eine hohe Resonanzfrequenz. Diese sorgt dafür, dass die Photonen zurück auf den Detektor geleitet werden. Schwingt der Spiegel zu schnell oder zu langsam, werden die Photonen aufgrund des koaxialen Aufbaus am Detektor vorbei abgelenkt.

Maßgeschneiderte MEMS-Technologie für LiDAR-Anwendungen

Die Entwicklung von MEMS-Spiegeln für MEMS LiDAR-Sensoren erfordert eine sorgfältige Betrachtung der Zusammensetzung, Größe und Einbettung. Blickfeld hat MEMS-Technologie speziell für LiDAR-Anwendungen entwickelt, um die Anforderungen an Reichweite, Sichtfeld und Auflösung zu erfüllen. Durch die Fokussierung auf diese Aspekte wird gewährleistet, dass MEMS LiDAR-Sensoren nicht nur leistungsstark, sondern auch skalierbar und kosteneffizient sind.

Fazit

MEMS LiDAR-Technologie ist der Schlüssel zu modernen LiDAR-Systemen und bietet die erforderliche Skalierbarkeit und Leistung für präzise Abstandsmessungen. Die Optimierung der Spiegelgröße—unter Berücksichtigung von Faktoren wie Photonenerfassung, Kollimation und Resonanzfrequenz—is entscheidend für die Leistung. Mit Fokus auf Innovation und präzise Technik haben MEMS-Spiegel bewiesen, dass sie eine wesentliche Grundlage für fortschrittliche MEMS LiDAR-Technologie darstellen.