Anwendung · LiDAR & 3D-Sensorik

Detektoren für LiDAR und 3D-Sensorik

Fortschrittliche LiDAR-Systeme profitieren von empfindlichen, schnellen und skalierbaren Photodetektoren. SWIR- und Nahinfrarot-Betrieb bieten Vorteile bei Augensicherheit, Reichweite, Sonnenlicht-Robustheit und schwierigen Umgebungsbedingungen — Detektorkosten und Skalierbarkeit bleiben jedoch der Engpass.

Photonen-zählendes LiDAR Strukturierte Punktwolke — Tiefe, Form und Reichweite aus einzelnen Photonen.

Klarere Tiefenwahrnehmung dort, wo konventionelle Bildgebung an ihre Grenzen stößt.

Prototyp · LiDAR

VisionOne — LiDAR-Detektor-Prototyp

VisionOne bringt hohe SWIR-Empfindlichkeit bei 1550 nm auf eine CMOS-kompatible Ge-auf-Si SPAD-Plattform — augensicherer Betrieb, Robustheit unter Sonnenlicht und schwierigen Wetterbedingungen sowie ein klarer Weg zu skalierbaren, großformatigen Detektor-Arrays.

Alle Werte sind modellbasierte Zielwerte — noch nicht demonstriert und kein qualifiziertes Datenblatt.

VisionOne

SPAD-Array-Plattform

In Entwicklung — TRL 3

Eine skalierbare SPAD-Array-Plattform für automobiles LiDAR und industrielle Sensorik.

Hohe Leistung und Skalierbarkeit

Gewichts- und größeneffizient für vielseitige Systemintegration

Betrieb bei Raumtemperatur (Ziel)

Halbleitermaterialien für LiDAR-Detektoren

Ge-auf-Si verbindet SWIR-Empfindlichkeit mit CMOS-kompatibler Fertigung — geeignet für skalierbare, industrielle LiDAR-Detektoren.

Tageslicht

Reichweite

GeQD-Reichweite ≈ 4× von Si (modellbasierter Zielwert — noch nicht demonstriert)

Regen & Nebel

GeQD-Reichweite ≈ 3× von Si (modellbasierter Zielwert — noch nicht demonstriert)

Kosten

(niedriger = besser)

GeQD ~10× günstiger als InGaAs und nah an Si (modellbasierte Projektion bei Serienfertigung — noch nicht validiert)

* Modellbasierte Zielwerte, abgeleitet aus Labormessdaten; noch nicht in Feldtests demonstriert.

1550 nm vs. 905 nm

Gleiche Szene, zwei Wellenlängen

Identische Verkehrsszene, zwei Detektoren. Links die Ge-on-Si SPAD-Plattform von GeQD bei 1550 nm, rechts ein konventioneller Silizium-SPAD bei 905 nm. Punktwolkendichte und Reichweite verändern sich mit den Bedingungen — der relative Vorteil von 1550 nm bleibt bestehen.

Wellenlängenvorteil

Gleiche Szene, zwei Wellenlängen. 1550-nm Ge-SPADs liefern eine dichtere Punktwolke und größere Reichweite als 905-nm-Silizium — bei Tag, Nacht und widrigem Wetter.

* Basierend auf Berechnungen im Labordemonstrator.

Augensicher

1550 nm ist augensicher

Größere Reichweite

Größere Reichweite bei augensicherer Leistung

Allwetter

Bessere Nebel- & Regendurchdringung

Augensicherheit · 1550 nm

Warum 1550-nm-Beleuchtung als augensicherer eingestuft wird

Augensicherheit ist in Lasernormen über die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) definiert. Bei 1550 nm unterscheiden sich der optische Pfad durch das Auge und die regulatorische MZB grundlegend von denen um 905 nm.

Wasserabsorption

Bei 1550 nm wird Licht stark vom Wasser in Cornea, Kammerwasser und Glaskörper absorbiert, bevor es die Retina erreicht.

Keine retinale Fokussierung

Da die Strahlung im vorderen Augenabschnitt absorbiert wird, erreicht sie nicht den schadensempfindlichsten Bereich, die Retina.

Höhere MZB nach IEC 60825-1

Die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) liegt bei 1550 nm unter vergleichbaren Pulsbedingungen rund zwei Größenordnungen über der bei 905 nm.

Mehr optische Leistung nutzbar

Die höhere MZB erlaubt mehr Pulsenergie innerhalb der Klasse-1-Grenzen — relevant für Reichweite, Wetterrobustheit und Signal-Rausch-Verhältnis.

Quelle: IEC 60825-1 / ANSI Z136.1. Die Augensicherheits-Klassifizierung hängt von Wellenlänge, Pulsenergie, Repetitionsrate und Strahlgeometrie ab; die Klasse-1-Konformität auf Systemebene ist je Gerät zu verifizieren.

Detektoranforderungen für LiDAR & ToF

Hohe Photonen-Detektionseffizienz

Mehr detektierte Photonen pro Sendepuls bedeuten größere Reichweite, geringere Laserleistung und besseres Signal an gering reflektierenden Zielen.

Niedrige Dunkelzählrate

Unterdrückt Fehldetektionen und hält die Tiefenkarte sauber — besonders bei großer Reichweite oder schwachem Signal.

Geringer Timing-Jitter

Sub-100 ps Jitter übersetzt sich direkt in Tiefenauflösung im Zentimeterbereich für Time-of-Flight-Systeme.

Hohe Zählrate

Kurze Totzeit ermöglicht hohe Pulsrepetition und dichte Punktwolken ohne Sättigung.

Skalierbare Detektor-Arrays

SPAD-Arrays im Megapixel-Bereich erschließen Flash- und Solid-State-Architekturen jenseits mechanischer Scanner.

Robustheit unter Umgebungslicht

SWIR-Betrieb um 1550 nm profitiert von einem Einbruch der Sonneneinstrahlung und erlaubt höhere augensichere optische Leistung.

Fertigbare Kostenstruktur

CMOS-kompatible Prozesse sind essentiell für die Stückkosten-Ziele in Automotive- und Industrievolumen.

GeQDs Beitrag

Eine Germanium-auf-Silizium SPAD-Plattform als Pfad zu skalierbarer SWIR-Einzelphotonendetektion für zukünftige LiDAR-Architekturen.

GeQD entwickelt eine Ge-auf-Si SPAD-Plattform, die skalierbare Einzelphotonendetektion für zukünftige LiDAR- und 3D-Sensorik-Architekturen ermöglichen könnte — insbesondere dort, wo SWIR-Empfindlichkeit und halbleiter-skalierbare Array-Fertigung wichtig sind.

Hinweis: Dies ist ein zukünftiger Anwendungspfad. Das LiDAR-Array (VisionOne) befindet sich auf TRL 3. Eine automotive Qualifikation ist nicht behauptet — sie erfordert Validierung von Dunkelzählrate, Array-Größe, Timing-Jitter und Packaging.

LiDAR-Detektoranforderungen mit GeQD besprechen.

Wir tauschen uns mit LiDAR-Integratoren, Tier-1-Zulieferern und Forschungsgruppen über Detektorspezifikationen für zukünftige feldtaugliche 3D-Sensorik aus.

Universität Stuttgart – Institut für Halbleitertechnik

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Pfaffenwaldring 47

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Tel: +49 711 68560896

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