Die Kamera im Blick

Aktuelle Herausforderungen im optischen Endtest von Automotive-Kameras

Kamerasysteme im Auto gehören auch im niedrigeren Preissegment mehr und mehr zur Standardausstattung und tragen erheblich zur Fahrsicherheit und zum Fahrkomfort bei. Wegen der hohen Komplexität der Systeme müssen diese sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion eingehend geprüft werden. Dabei sind die besonderen Automotive-Anforderungen zu berücksichtigen.



Fahrerassistenzsysteme - auch ADAS-Systeme (Advanced Driver Assistance Systems) genannt - sind im modernen Auto allgegenwärtig und nehmen einen immer größeren Stellenwert ein: Die Systeme erhöhen die Fahrsicherheit mit Funktionen wie automatischem Bremsassistent, Fahrstreifenverfolgung oder der Überwachung des toten Winkels. Zudem verbessern Sie den Fahrkomfort - z. B. durch eine automatische Einparkhilfe, Verkehrszeichenerkennung oder stellen die unmittelbare Umgebung des Fahrzeugs in einer Sicht von oben dar (Bird‘s-Eye View). Waren diese Systeme in früheren Jahren vorwiegend im gehobenen Preissegment installiert, so finden sie mittlerweile Einzug in alle Klassen bis hin zu Kleinwagen. Die steigende Bedeutung findet sich auch in Bewertungsnormen zur Crashsicherheit wie EURO-NCAP: In der nächsten Version wird das Vorhandensein von ADAS-Systemen in einem Auto zur Pflicht, um die volle Punktezahl erreichen zu können. Traditionell setzen die Hersteller für solche Systeme eine Kombination von verschiedenen Sensor-Technologien wie Kameras, Radar, Lidar (Light Detection and Ranging) oder Ultraschall ein. Aus Kostengründen entwickelt sich der Markt in letzter Zeit besonders im niedrigeren Preissegment hin zum Einsatz von Stand-Alone-Kamerasystemen. Gerade der Anspruch der erhöhten Sicherheit stellt die Automobilhersteller und deren Zulieferer vor die Aufgabe, die Qualität und die Langlebigkeit dieser komplexen Systeme sicherzustellen, die jahrelang unter schwierigen Bedingungen wie großen Temperaturunterschieden, Vibrationen und sich ständig ändernden Lichtverhältnissen funktionsfähig sein müssen. Aus diesen Gründen werden hohe Anforderungen an die Mess- und Prüftechnik für Optiken und komplette Kamerasysteme gestellt. Eine zusätzliche Herausforderung ist die ständig steigende Anzahl der Kamerasysteme pro Fahrzeug.

Dies übt großen Druck auf die Hersteller aus, von der bisher üblichen Kleinserien- auf Massenproduktion mit entsprechender Prüftechnik umzusteigen.



Besonderheiten von Automotive-Kameras
Automotive-Kameras unterscheiden sich technisch teils erheblich von Consumer-Kameras: Die Sensor-Auflösung der CMOS-Kameras ist niedriger und bewegt sich im 1-2 MegaPixel Bereich. Oft wird auch ein Nicht-Bayer-Pattern verwendet. Um den im Automobilbereich herrschenden Vibrationen und großen Temperaturschwankungen (-40 bis 110°C) standhalten zu können, werden üblicherweise Glasoptiken statt Kunststoffe verwendet.
Eine weitere Besonderheit ist der große Dynamikbereich von bis zu 120dB (sechs Größenordnungen), der z. B. für Frontkameras benötigt wird, um auch in schwierigen Lichtsituationen wie bei der Fahrt in einem dunklen Tunnel mit Blick auf den hellen Ausgang noch die Fahrbahnmarkierungen zuverlässig erkennen zu können. Dies wird durch die Kombination von Aufnahmen mit verschiedenen Belichtungszeiten (HDR, High Dynamic Range) oder speziellen Pixel-Technologien sichergestellt. Oft werden Weitwinkel-Optiken mit einem Sichtfeld bis zu 180° verwendet, die physikalisch bedingt starke Bildverzeichnungen aufweisen. Diese müssen für viele Anwendungen individuell während der Produktion der Kamera vermessen werden.
Labortests
Während der Entwicklung eines neuen ADAS-Systems werden eine ganze Reihe von Kamera-Parametern im Labor überprüft. Hierzu gibt es zurzeit leider noch wenige standardisierte Prüfmethoden. Die Messgeräte- und Kamerahersteller streben hier eine Vereinheitlichung von Messmethoden an.
Typische Laboraufgaben sind einerseits die Messung von Optikparametern wie Bildschärfe über die Modulationstransferfunktion (MTF), der Bildverzeichnung oder der Ausrichtung der Optik zum Sensor. Abbildung 2 zeigt ein Detail eines üblichen Laborsystems für diesen Zweck: Ein auf einem Schwenkarm montierter Kollimator projiziert ein Prüfmuster aus verschiedenen Winkeln auf den Prüfling und die von der Kamera erzeugten Bilder werden in der Software ausgewertet. Solche Systeme können die oben genannten Parameter auch für Weitwinkeloptiken mit mehr als 180° Blickfeld messen.
Zusätzlich zu den Optikparametern werden im Labor auch wichtige Sensorparameter geprüft. Neben der Messung der Sensorübertragungsfunktion (OECF) sind weitere Parameter wie die Anzahl und die Position defekter Pixel oder auch die Farbwiedergabe wichtig. Viele der genannten Tests werden auch in einem weiten Temperaturbereich durchgeführt, da sich gerade hohe Temperaturen - etwa bei in der Windschutzscheibe eingebauten Frontkameras - auf die Sensorcharakteristika auswirken.



End-of-Line Test
Im industriellen Endtest ist neben der Messgenauigkeit vor allem die Prüfgeschwindigkeit wichtig, da in vielen Fällen jede produzierte Kamera einzeln geprüft werden muss. Eine typische Auswahl von Parametern im Endtest sind: Bildschärfe (über MTF), opto-mechanische Ausrichtung (Blickrichtung und Blickfeld), Verzeichnung (besonders wichtig für Frontkameras oder Surround-View-Systeme), Sensor-Charakteristika wie defekte Pixel oder Spektralverhalten der Farbfiltermaske. Durch die steigende Sensor-Auflösung und damit die Verwendung kleinerer Pixel wird auch die optimale Ausrichtung von Objektiv zu Sensor immer wichtiger. Diese lässt sich auch bei der fertiggestellten Kamera vermessen.
Abbildung 3 zeigt einen Blick in eine typische Messkammer für die Bestimmung der Verzeichnung einer Kamera: Ein Testmuster mit Markierungen aus dem Unendlichen wird projiziert und die Position der Markierungen im Kamerabild vermessen. Mit Hilfe eines geeigneten optischen Aufbaus können auch Kameras mit stark verzeichnender Optik auf diese Weise kalibriert werden.
Verglichen zu Consumer-Kameras ergeben sich für den Automotive-Bereich zusätzliche Herausforderungen für die Prüftechnik: Je nach Anwendung kann der Formfaktor der zu testenden Kameras sehr unterschiedlich sein und spezielle Prüflingsaufnahmen erfordern, die speziell für jedes neue Kameramodell angepasst werden müssen, z. B. für den Einbau hinter einer simulierten Windschutzscheibe für Frontkameras. Viele der eingesetzten Kamerasysteme verarbeiten die aufgenommenen Bilder außerdem direkt in der Kameraelektronik und liefern kein Videosignal, was das schnelle Auslesen der Bilder im Endtest schwieriger macht.
Schlussendlich muss die Rückführbarkeit und Richtigkeit der Messdaten sichergestellt werden. Hier besteht noch Handlungsbedarf, da viele der eingesetzten Prüfmethoden noch nicht international standardisiert sind und bestehende Standards (z. B. für Consumer-Kameras) durch die speziellen Anforderungen des Automotive-Bereichs nicht gut geeignet sind. Durch die rasante Entwicklung in diesem Bereich werden sich auch in Zukunft neue interessante Aufgaben ergeben und das Thema Test von ­Automotive-Kameras spannend bleiben!

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