Optikai érzékelők az autóiparban

Noha nem tekint vissza hosszú múltra az autótechnikában, ma már megkerülhetetlen, szerves része az optikai szenzorok technológiája egy modern járműnek. A képalkotás, különös tekintettel a digitális változata kezdetben csak az emberi érzékelés számára volt lényeges az autóban, ám ma már a nélkülözhetetlenséges az önvezető rendszerek és a vezetéstámogató rendszerek egyre sokasodó, részben már kötelező elemei indokolják leginkább.

Ebben a cikkben általánosan írunk az optikai szenzorok működéséről, felépítéséről, majd bemutatunk néhány gyakorlati példát az autóipar berkein belül.

A fény

Az indukciós szenzorok a fémeket, a kapacitív érzékelők a szilárd anyagokat és folyadékokat érzékelik a saját zónáikon belül, ám az optikai szenzorok egy sokkal misztikusabbnak ható jelenséget, a fényt hivatottak érzékelni.

Empirikus közelítéssel magának a fénynek köszönhető, hogy látjuk a környezetünket – és persze a szemünknek, amely szintén egy optikai érzékelőnek tekinthető. A fizikai értelmezés szerint a fény egy fotonokból álló elektromágneses hullám, mely az anyagok részecskéinek és még kisebb alkotórészeinek felületén nyelődik el és/vagy verődik vissza. A fény kvantumjait, azaz a hullám energiaegységeit nevezzük fotonnak.

Az optikai közelítéskapcsoló ezeket hivatott érzékelni.

Működés

A gyakorlatban azonban nem feltétlenül a fény megjelenésére kapcsolnak az érzékelők – mindig attól függ a működés jellege, hogy mit akarunk érzékelni.

Az optikai szenzorok optikai és elektronikai eszközök kombinációját felhasználva jelzik a különböző objektumok jelenlétét – legyen az tárgy, vagy valamilyen anyag. A fényt, mint elektromágneses hullámot ún. fotodiódákkal vagy fototranzisztorokkal érzékeli a rendszer – ez lesz a szenzor vevője. A szerkezet nagy előnye, hogy többnyire rendkívül kompakt. Többnyire infravörös vagy vörös fénnyel működnek – a fényforrás szinte kivétel nélkül fényemittáló dióda, azaz LED – ez lesz a szenzor adója. A LED maga GaAlAs, a hullámhossz az összetételtől függően 880 nanométer az infravörös, 600 nm a látható fény kibocsátása esetén.

Ha a szenzor látható fénnyel működik, jelentősen könnyebb a beállítása, hiszen szabad szemmel is érzékelhető a fényforrás optikai tengelye, továbbá a polimer fényvezetők csillapítása ebben a hullámhosszúság tartományban viszonylag kicsi.

Az infravörös fénynek is megvan a gyakorlati haszna: akkor érdemes alkalmazni, ha nagyobb fényerőre van szükség – ez általában akkor fordul elő, ha nagyobb távolságot kívánunk áthidalni a fénynyalábbal. Ezen túlmenően az infravörös tartomány másik előnye, hogy a környezetből származó zavaró fényjelenségek hatása kevésbé befolyásolja a szenzor működését.

Ez természetesen nem jelenti azt, hogy nem zavarhatók meg az érzékelők. A környezeti zavaró hatások kiküszöbölésére, de minimum a jelentős csökkentésére érdekében az optikai jelet modulálják, valamint infraérzékelők esetén sikerrel alkalmaznak fényszűrőket is. Az adó és a vevő impulzusának üteme összehangolt.

Az egyutas és reflexiós fénykapuknál a következő kapcsolási állapotokat különböztetjük meg:

• NO, azaz normally open: a vevő kimenete abban az esetben zár, ha a fénynyaláb útját semmilyen idegen test vagy anyag nem szakítja meg.
• NC, azaz normally closed: a vevő kimenete akkor zár, ha a fénysugár útját keresztezi valamilyen objektum.

Hasonló állapotokat láthatunk tárgyreflexiós közelítéskapcsolók esetén is:

• NO: a szenzor kimenete zár, ha az érzékelővel szemben található valamilyen test vagy anyag.
• NC: a szenzor kimenete zár, ha az érzékelővel szemben semmilyen objektum nem található.

Speciális változatok: kamerák

A kamerák egy különleges helyet foglalnak el az optikai eszközök palettáján. Igen jelentős különbség a hagyományos optikai szenzorok és a kamerák között, hogy míg előbbiek csak a fénynyalábukat érintő változásokat képesek érzékelni, addig a kamerák a szenzorukra érkező, fényalapú információkból teljes képek alkotására alkalmasak. Ez egészen új kapukat nyitott meg számos iparág számára.

A fényt egy optikai rendszeren keresztül gyűjti össze, melyet egy optoérzékeny felületre vetít, mely aztán az elektromágneses sugárzás intenzitását és frekvenciáját információvá alakítja. Ez korábban kémiai úton történt, ma pedig tisztán elektronikus módon zajlik.

A digitális képalkotás létrejötte hatalmas lökést adott a kameratechnológia fejlődésének. Az elmúlt évtizedekben számos képalkotási elv (például a CCD vagy a CMOS) jelent meg, melyeket többek között az autóipar is egyre inkább hasznosít.

A kamerák egyik fő jellemzője a szenzorméret. Ezt hüvelykben szokták megadni. Érdekes tény, hogy a névleges érték általában nem egyezik meg a szenzor valós méretével. A standard 1”-es kör alakú lencsék nagyjából 16 mm-es fényérzékeny, téglalap alakú felülettel rendelkeznek.

Szintén lényeges paraméter a felbontás, azaz a megjeleníthető pixelek száma. Minél nagyobb a felbontás, annál kisebb a pixelek mérete azonos lencseméret mellett. Ebből adódóan a nagyobb felbontás nem minden esetben ideális, hiszen a kisebb pixelek kevésbé érzékenyek a fényre és nagyobb zajt generálhatnak.

CMOS technológia

Ma már számos digitális képalkotási módszer létezik – ezek közül emelünk ki egyet röviden.

A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) egy P és egy N típusú MOSFET összekapcsolása. Minden egyes képelemhez különálló erősítő tartozik, így a töltéseket pixelenként erősíti fel – ezért szokás őket aktív pixeles érzékelőnek is nevezni.

Korábban a CCD szenzorokat szívesebben alkalmazták, mert nagyobb volt az érzékenységük, kisebb zajjal dolgoztak. Mostanra azonban a fejlesztéseknek hála a CMOS minden tekintetben versenyképessé vált, és a legelterjedtebb változatnak tekinthető.

Optikai érzékelők az autókban

A különböző önvezető és ADAS-rendszerek gyakorlatilag elképzelhetetlenek optikai érzékelők nélkül. Számos önvezető rendszer használ például LIDAR-t, ami egy lézer-alapú távolságérzékelő, viszont a Tesla kizárólag kamerákkal oldja meg az autó önvezető funkcióit.

Az ADAS-rendszerek elől-, hátul- és oldalnézeti kamerái és/vagy lézerei szintén elengedhetetlenek, de szintén optikai érzékelő fele a mátrix LED fényszórók valós idejű, dinamikusan változó működéséért is.