Gleich, ob es sich um einen PKW handelt, einen Gabelstapler oder ein fahrerloses Transportsystem: Kompakte Hochleistungskameras mit HDR-CMOS-Sensoren für Hochkontrastbilder sind in immer mehr Fahrzeugen zu finden.

Digitale Kameras sind aus Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken: Sie helfen beim Manövrieren, ersetzen konventionelle Rückspiegel und verhindern, dass ein Fahrer Verkehrsteilnehmer übersieht, die sich im toten Winkel befinden. Auch Fahrerassistenzsysteme und autonome Transportmittel, etwa in Lagerhallen, sind auf Kamerasysteme angewiesen. Ein Kriterium, das solche Digitalkameras erfüllen müssen, ist eine hohe Bildqualität. Aktuell sind die meisten Systeme mit einem 1,3-Megapixel-CMOS-Sensor ausgestattet, der eine Auflösung von 1.280 x 720 Bildpunkten (HD) oder 1.280 x 1.024 Pixeln (Super XGA) bietet. Doch werden ab 2020 verstärkt Systeme gefragt sein, die mit Sensoren mit 2 Megapixeln (FullHD) ausgestattet sind. Ein Beispiel ist die Blue-Next-Kamera LVD-2 (2.3) von First Sensor. Solche Kameras bieten eine höhere Bildqualität und ermöglichen mehrere Zoom-Modi für verschiedene Anwendungen.

Hoher Kontrast und niedriger ­Strombedarf

Wichtig ist, dass die Bildsensoren und optischen Komponenten solcher Kameras Dynamik-Bereiche von mehr als 120 dB und einen HDR-Modus unterstützen. Dadurch lassen sich die Systeme auch in Umgebungen mit starken Hell-Dunkel-Kontrasten einsetzen. Das ist beispielsweise notwendig, wenn ein Fahrzeug an einem sonnigen Tag in einen Straßentunnel fährt. Zudem reduziert HDR die Blendwirkung von Objekten mit spiegelnden Oberflächen. Eine Digitalkamera für mobile Anwendungen sollte zudem eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweisen, idealerweise bis zu 0,05 Lux. Nur dann kann das System kontrastreiche Bilder von dunklen Bereichen oder während einer Nachtfahrt liefern.
Eine weitere wichtige Anforderung an digitale Kameras für Fahrzeuge ist ein niedriger Stromverbrauch. Das gilt vor allem für Anwendungsfälle, in denen keine Steckdose zur Verfügung steht. Vor allem Anbieter von Elektrofahrzeugen benötigen hochauflösende Digitalkameras, die mit weniger als zwei Watt auskommen. Allerdings ist ein geringer Strombedarf von Bordkameras auch für Hersteller von Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor wichtig. Denn durch die wachsende Zahl von elektrischen und elektronischen Komponenten steigen die Anforderungen an das Bordnetz. Verbrauchswerte von zwei Watt bei Kameras lassen sich erzielen, wenn der Hersteller die Zahl der Komponenten reduziert und den Systemaufbau auf einen geringen Strombedarf hin optimiert.

Spezifische Lösungen in geringer Stückzahl

Für jede mobile Anwendung ein spezielles Kameramodell zu entwickeln, ist unwirtschaftlich. Deshalb stehen für die Modelle führender Anbieter Kombinationen von Linsen und optischen Komponenten mit unterschiedlichen Sichtfeldern (Fields of View, FoV) zur Wahl. Der Vorteil eines FoV von 55 Grad ist beispielsweise eine hohe Bildauflösung bei großen Distanzen. Ein Sichtfeld von 190 Grad eignet sich dagegen besser für kürzere Entfernungen und wenn ein breiter Bereich abgedeckt werden muss. Ein Kompromiss sind Systeme mit einem FoV von 105 Grad. Zusätzlich lohnt sich ein Blick auf die Netzwerkschnittstellen. Speziell im automobilen oder automobilnahen Bereich ist meist ein LVDS-Interface (Low Voltage Differential Signaling) notwendig. Es ermöglicht, Daten mit einem deutlich reduzierten Signalpegel mit hohen Datenraten zu übertragen. Zudem zeichnet es sich durch seine Störsicherheit und einen sehr niedrigen Leistungsverbrauch aus. Daneben sind auch APIX-Schnittstellen (Automotive Pixel Link), die digitale Kameras, Displays und Steuerungseinheiten verbinden, sowie Ethernet-Interfaces – mit oder ohne PoE – in Betracht zu ziehen.
Die hier von Anbietern geforderte Flexibilität fällt insbesondere in Bereichen wie dem autonomen Fahren ins Gewicht. Zahlreiche unterschiedliche Prototypen und Testreihen für Weiterentwicklungen vieler Bestandteile des autonomen Fahrzeugs stellen Hersteller vor besondere Herausforderungen. „One size fits all“ existiert hier nicht und so sind häufig auch spezifische Lösungen für bestimmte Prototypen in geringer Stückzahl gefragt.

Zertifizierte Qualität

Unverzichtbar für digitale Kameras ist eine kompakte und robuste Bauweise. Fahrzeughersteller bevorzugen Modelle mit einer Länge von maximal 70 mm und einer Breite von etwa 32 mm. Umwelteinflüsse wie Hitze, Nässe, Staub und Kälte dürfen die Funktionsfähigkeit ebenso wenig beeinträchtigen wie Erschütterungen und Vibrationen. Hochwertige Kameras sind daher für einen Temperaturbereich zwischen -40 und + 85 °C ausgelegt. Um negative Auswirkungen durch Erschütterungen zu vermeiden, ist zudem ein Design vorzuziehen, das ohne bewegliche Teile auskommt. Ein Mittel, um die Qualität von Digitalkameras nachzuweisen, sind Zertifizierungen durch Gremien wie die IATF (International Automotive Task Force) und das AEC (Automotive Electronics Council). Beide Organisationen haben Spezifikationen für Entwicklungs- und Produktionsabläufe erarbeitet, etwa das Qualitätssicherungssystem IATF 16949. Ein weiteres Qualitätskriterium ist die IP-Schutzklasse (International Protection) einer Kamera. Die Blue-Next-Kamerafamilie von First Sensor erfüllt beispielsweise die Vorgaben von IPX7 und IPX9K in Bezug auf den Schutz vor Wasser und Hochdruck-Dampfstrahlreinigung sowie der IP6KX hinsichtlich Staubschutz.