ZF buduje europejskie zaplecze optyczne w Łodzi

O tym, dlaczego ZF zdecydowało się zbudować swoje europejskie centrum optyczne właśnie w Polsce, jakie technologie powstają w łódzkim laboratorium oraz jakie trendy kształtują przyszłość optyki samochodowej, opowiada dr Bernard Piechal – inżynier optyki w Centrum Inżynieryjnym ZF w Łodzi.

Główne powody budowy europejskiego laboratorium optycznego ZF w Łodzi to...? Jakie cele biznesowe i technologiczne przyświecały temu projektowi?

dr Bernard Piechal: Początkowo, ZF miał (i nadal ma) dobry ośrodek pomiarowy w Stanach Zjednoczonych – w Farmington Hills, w Michigan. Jednak firma ma również dużo europejskich klientów oraz fabryki produkujące kamery w Częstochowie i w Peeterly, w Wielkiej Brytanii. Stąd potrzeba ośrodka optycznego w Europie.

Dzięki temu europejskie fabryki mogą liczyć na bardziej bezpośrednią fachową pomoc. Jednocześnie wprowadzenie do produkcji samochodu wyposażonych w inteligentne kamery do zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ZF Smart Cameras) wiąże się z szeregiem testów zarówno samochodu, jak i jego komponentów. W jednym projekcie może być konieczność np. przetestowania jakości optycznej kilkunastu szyb samochodowych. Przesłanie ich na testy np. z Francji do Polski to są zupełnie inne koszty niż wysyłanie ich przez ocean.

W jakich projektach realizowanych przez ZF w regionie EMEA uczestniczy dziś łódzkie laboratorium optyczne? Czy zakres prac wykracza poza kamery stosowane w motoryzacji?

dr Bernard Piechal: Obecnie głównie kamery Smart Cameras. Początkowo zajmowaliśmy się przede wszystkim kamerami do samochodów osobowych, choć ostatnio pojawiły się też projekty kamer dla pojazdów użytkowych.

Na czym polega system oceny czystości matrycy obrazu opracowany w Łodzi i wykorzystywany w ZF? Jakie były jego wymogi techniczne i jakie korzyści przyniósł firmie?

dr Bernard Piechal: To była potrzeba chwili, w której zastanawialiśmy się nad rozwiązaniem jakiegoś problemu inżynieryjnego i ktoś rzucił pytanie „a może matryca jest brudna?”. Oczywiście linia produkcyjna sprawdza czystość matrycy przed zamontowaniem obiektywu. Służy do tego układ rzucający odpowiednie (tzw. skolimowane) oświetlenie na matrycę, dzięki czemu po pobraniu z niej obrazu wszelkie drobne pyłki stają się widoczne. Tyle, że ten układ umie to oświetlenie wytworzyć na matrycy bez obiektywu. A co jeżeli chcemy sprawdzić stan matrycy już z obiektywem?

Zdemontować obiektyw? Można, ale to jest niestety procedura niszcząca dla kamery. To dlatego, że obiektyw montujemy na stałe, a precyzja wymagana przy ustawieniu obiektywów w naszych kamerach jest tak duża, że po odkręceniu płytki PCB na pewno nie przykręcimy jej już odpowiednio precyzyjnie. Właściwie to, co zrobiłem, to de facto użyłem tej samej zasady działania co sprzęt na linii produkcyjnej, z tą różnicą, że mój układ wykorzystuje obiektyw kamery jako część optyki tworzącej skolimowane oświetlenie na matrycy.

Wymogi były w sumie dość proste. Ale potem się okazało, że problem ze sprawdzeniem, czy matryca nie jest brudna bez rozbierania kamery pojawił się kilka razy w innych laboratoriach w ZF, więc mogłem się podzielić pomysłem.

Na czym opiera się proces walidacji kamer i sensorów optycznych w łódzkim laboratorium ZF? Jakie etapy musi przejść system, zanim trafi do konkretnego modelu pojazdu?

dr Bernard Piechal: Walidacja kamery do użycia w konkretnym modelu pojazdu obejmuje dość sporo elementów, począwszy od oceny modeli CAD, poprzez szereg pomiarów poszczególnych komponentów, aż po testy prototypów na torach i w ruchu ulicznym.

Ja odpowiadam za kilka pomiarów jakości optycznej przedniej szyby i okolicznych części plastikowych. W uproszczeniu, należy sprawdzić, czy kamera widzi przez szybę odpowiednio dobry, ostry obraz i czy instalacja jest odpowiednio odporna na oślepienie przez silne światło (np. podczas jazdy pod słońce), czy będzie działała w ciemnościach, czy nie powstają różne zniekształcenia, które by kamerę oszukały itd.

Dodatkowo pomagam też w utrzymaniu i ustawianiu układów służących do testowania kamer poprzez pokazywanie im obrazów generowanych komputerowo. To taki odpowiednik symulatora lotu, tylko że szkolimy nie pilota, a kamerę.

Posiada Pan bogate zaplecze naukowe – od laserów półprzewodnikowych po mikrooptykę i światłowody. W jaki sposób przekłada się ono dziś na pracę nad systemami optycznymi ZF?

dr Bernard Piechal: Nie wiem na ile przydaje mi się dziś ten, czy inny konkretny kierunek dawnych badań. Za to na pewno fakt bycia fizykiem doświadczalnym i spędzenia lat w laboratorium ma znaczenie. Doświadczalna praca naukowa ma to do siebie, że stawia przed człowiekiem problemy, których nikt wcześniej nie rozwiązał. Większość ludzi ma tendencję do skrótów myślowych typu „skoro dziś nie wiem, co z tym zrobić, to nie wiem i kropka”. Ich mózgi z góry zakładają „nie wiem” i się blokują. A mózgi geeków na hasło „nie wiem” zaczynają drążyć.

Prywatnie jest Pan artystą i fotografem. Czy to drugie, bardziej twórcze spojrzenie na świat wpływa na sposób, w jaki podchodzi Pan do projektowania i udoskonalania rozwiązań optycznych w ZF?

dr Bernard Piechal: Jak się robi zdjęcia, a równocześnie jest się fizykiem, to dość naturalne, że człowiek kombinuje „jak to działa”. Z tym, że u mnie to kombinowanie (z racji po prostu wykształcenia pewnych ścisłych umiejętności) kończy się ciut głębiej niż u większości osób. Na przykład, gdy kiedyś zacząłem skanować filmy do druku i byłem niezadowolony z efektów, to zamiast czytania opinii o skanerach ze sklepów fotograficznych skończyło się to... wymyśleniem sobie procedury pomiaru ostrości skanów z powtarzalnym, ścisłym wynikiem i to jeszcze pozwalającym na porównanie np. z digitalizacją za pomocą aparatów cyfrowych. A ponieważ użyłem popularnej metody zwanej MTF, to się okazało, że właśnie o to mnie pytali na rozmowie kwalifikacyjnej do Centrum Inżynieryjnego ZF. Czyli się przydało.

Gdyby miał Pan wymienić aktualne trendy w optyce obrazującej i półprzewodnikowych sensorach obrazu, które są najbardziej obiecujące lub wymagające wdrażania, to co by to było?

dr Bernard Piechal: Osobiście czekam na popularyzację różnego rodzaju wyświetlaczy przeziernych z prawdziwego zdarzenia. Czyli tego, co obecnie nazywamy HUDami.

Obecnie już są dość popularne w nowych samochodach, ale nadal w wersji skrajnie ubogiej. Coś, czego ja bym oczekiwał po takim wyświetlaczu – dostępne w samolotach już od lat 50 XX wieku - obecnie wchodzi do samochodów pod hasłem „rozszerzonej rzeczywistości”. Taki „prawdziwy” HUD nie ogranicza się do wyświetlenia prędkości i kilku piktogramów, a wyświetla obraz w pełni skorelowany z otaczającą rzeczywistością. Na przykład nawigacja zamiast komunikatu „skręć za ileś metrów” wyświetla strzałkę dokładnie na drodze, w którą należy skręcić. Ostrzeżenie o pieszym wkraczającym na przejście w nocy wyświetli ramkę widzianą dokładnie w miejscu, gdzie jest pieszy.

To pozwoli nie tylko na większą wygodę, ale i poprawę bezpieczeństwa. Na przykład załóżmy, że pojazd przed nami nagle ostro hamuje. HUD razem z komunikatem może wyświetlić strzałkę pokazującą, czy nagle pojawiającą się przeszkodę kierowca ma wyminąć po lewej, po prawej, czy hamować. Wielu kierowców, widząc strzałkę podświadomie zrobi to, co ta sugeruje.

Gdzie tu poprawa bezpieczeństwa? Otóż, gdy kierowcę zaskakuje tego typu nagła sytuacja, to reaguje w ułamku sekundy, ale już nie ma czasu sprawdzać w lusterkach, czy wolne jest po lewej, czy po prawej. Reaguje instynktownie i tylko od przypadku zależy, czy tam, gdzie próbuje uciec, akurat jest wolne. Tymczasem układy ADAS mają te informacje z czujników martwego pola i dookólnych kamer (już dziś) w czasie rzeczywistym. I taki rozbudowany HUD mógłby wskazać kierowcy już NAJBEZPIECZNIEJSZĄ drogę ucieczki znalezioną przez system ADAS.

Dalszym krokiem byłoby zintegrowanie wyświetlacza z odpowiednimi goglami, dzięki czemu wyświetlane informacje można by skorelować z ruchami głowy kierowcy. Wtedy kierowca mógłby nie tylko odbierać te informacje dla każdego kierunku, ale wręcz widzieć obraz z kamer zewnętrznych tak, że np. deska rozdzielcza stawałaby się dla niego przezroczysta. Lawirowanie samochodem w ciasnych miejscach stałoby się dzięki temu o rzędy wielkości bardziej precyzyjne niż przy użyciu kamer cofania na ekraniku.

Oczywiście w przypadku samochodów osobowych głównym ograniczeniem będzie po prostu fakt, że mało komu będzie się chciało zakładać specjalne gogle tylko to prowadzenia auta. Ale już w przypadku wszelkich pojazdów do zastosowań profesjonalnych – maszyny na budowach, dźwigi, czy choćby radiowozy – wszędzie tam takie wyświetlacze mogłyby dać duże korzyści.

Jak postrzega Pan rozwój kryptografii kwantowej jako obszaru powiązanego z optyką i fotoniką w przemyśle motoryzacyjnym?

dr Bernard Piechal: Kryptografia to jest ostatnio dość istotny temat w motoryzacji. Od momentu, w którym uznaliśmy, że z samochodem musimy móc się dogadać z zewnątrz, co oczywiście spowodowało zupełnie realne zagrożenie, że ktoś zły dogada się z naszym autem lepiej od nas samych. I oczywiście kamery również są ostatnio naszpikowane zabezpieczeniami.

Tu ciekawostka. Są dwa różne pojęcia: kryptografia kwantowa i kryptografia post-kwantowa. Kryptografia post-kwantowa, to jest dział kryptografii, który próbuje odpowiedzieć na pytanie co by tu zrobić, gdy pojawią się komputery kwantowe. Bo obecnie absolutnym koniem roboczym kryptografii stosowanej na co dzień (czy to podpisy cyfrowe, szyfrowanie komunikatorów, czy stron banków) są szyfry oparte na kluczach publicznych. A komputery kwantowe, gdy się pojawią, będą umiały świetnie łamać właśnie tego typu szyfry, co będzie oznaczać, że stracą one rację bytu.

Kryptografia kwantowa natomiast to jedna z metod kryptografii. Wykorzystuje głównie tzw. splątane stany kwantowe fotonów do przesłania klucza kryptograficznego w sposób pozwalający na sprawdzenie i upewnienie się, czy nikt go nie podsłuchał. Wydaje się ona być niezłym kandydatem na szyfrowanie w czasach komputerów kwantowych: klucz nie musi być tu upubliczniany, a bezpieczeństwo polega na tym, że z powodu podstawowych zasad fizyki nie da się ukryć faktu podsłuchiwania. I wydaje się możliwa (choć nie bez wyzwań) do zastosowania w samochodach.

W którą stronę zmierza dziś optyczne testowanie komponentów ADAS i systemów autonomicznych? Czy oczekiwania producentów pojazdów zmieniają sposób, w jaki ZF prowadzi pomiary i walidację?

dr Bernard Piechal: Trend, który można zaobserwować, to przejmowanie kolejnych testów coraz większej liczny komponentów przez ZF.

To trochę wychodzi od samych klientów. Mówią: skoro dajecie wymagania wobec np. optycznej jakości przedniej szyby, to przetestujcie dla nas tę szybę od producenta. Nasz klient (producent samochodów) nie musi w ten sposób sam rozwijać ekspertyzy pomiarowej, a ma w ten sposób swoisty audyt jakości dostarczanej przez poddostawców.

W efekcie robimy coraz więcej pomiarów coraz większej liczby komponentów pochodzących od firm trzecich. Trzeba też wiedzieć, że samych wymagań robi się coraz więcej, bowiem kolejne funkcje autonomiczności narzucają nowe wymagania, które muszą być spełnione, aby działały. Na przykład nowe generacje kamer mają bogatsze widzenie barw niż poprzednie. W efekcie, o ile dotychczas mieliśmy wymagania dla transmisji szyb w całym widmie widzialnym oraz osobno w czerwieniach, o tyle w przypadku kamer nowej generacji wymagania te dotyczą także pasm żółtych i zielonych oraz osobno od zieleni do niebieskiego.

Czy jest temat, który szczególnie warto podkreślić z punktu widzenia polskiego ośrodka inżynieryjnego w Łodzi?

dr Bernard Piechal: Może się po prostu pochwalę, że w ciągu tych czterech lat udało się stworzyć miejsce, które stało się rozpoznawalne i cieszące się pewną renomą nie tylko w obrębie całego korporacyjnego świata ZF, ale też wśród klientów i poddostawców. I też nie jest już tak, że jedynie implementujemy procedury opracowane gdzieś w centrali, a przeciwnie – sami rozwijamy rozwiązania używane potem globalnie.

Bernard Piechal: Inżynier światła i doktor fizyki, który w 2021 roku dołączył do centrum inżynieryjnego ZF w Łodzi. Zbudował tam europejskie laboratorium optyczne, wspierające wszystkie projekty z przemysłowymi kamerami samochodowymi w regionie EMEA. Odpowiada za pełen zakres walidacji instalacji kamer, rozwiązywanie problemów optycznych oraz projektowanie specjalnych wersji testowych rozwiązań. Stworzył system pozwalający ocenić czystość matrycy obrazu, który stał się standardem nie tylko w polskim ZF, ale także w głównej centrali firmy w Stanach Zjednoczonych. Jest absolwentem Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, doktorem nauk fizycznych (Instytut Wysokich Ciśnień PAN, Unipress). Od początku kariery zawodowej związany z fotonami i danymi pomiarowymi. Pracował nad laserami półprzewodnikowymi, nanostrukturami, grafenem, mikrooptyką i światłowodami w czołowych polskich ośrodkach badawczych (Unipress, ITME). Pracuje ze światłem także poza laboratorium – zajmuje się fotografią artystyczną. Jego konceptualne zdjęcia – prezentowane na wystawach – pokazują, że sztuka i inżynieria mogą się przenikać. Ta pasja pomaga mu patrzeć na optykę jednocześnie okiem naukowca i artysty, co inspiruje do nieszablonowych rozwiązań w pracy nad kamerami i sensorami obrazu.