Sensorik im Auto und moderne Fahrassistenzsysteme

Der OSRAM Podcast: Episode #3 mit Martin Wittmann


Das Photonstudio der OSRAM Podcast. Herzlich willkommen im Photonstudio, dem OSRAM Podcast. Mein Name ist Dieter Schierer und ich bin OSRAM Mitarbeiter im Bereich digitale Kommunikation. Ich freue mich auf eine neue Episode aus dem Bereich „Faszination Licht“. Heute zum Thema Sensorik im Auto oder der unsichtbare Beifahrer. Stellen Sie sich vor, Sie bestellen ein Taxi, fahren zu dem gewünschten Ziel, steigen aus, und sobald das Auto um die Ecke ist, merken Sie, dass Sie Ihre Tasche auf dem Rücksitz vergessen haben. Wie ärgerlich!

Oder stellen Sie sich vor, Sie sitzen selbst seit Stunden hinter dem Lenkrad und merken nicht, dass Sie aus Müdigkeit nicht mehr konzentriert auf die Straße schauen. Ihr Auto merkt es aber sehr wohl, warnt Sie oder leitet vorsorglich den Bremsvorgang ein. In beiden Fällen spielt unsichtbar das Licht eine Schlüsselrolle. Klingt nach Science-Fiction, ist es aber nicht. Wie aber funktionieren die unsichtbaren Beifahrer im Auto genau? Und wie machen sie den Verkehr heute und in Zukunft sicherer?

Um das zu erfahren, habe ich meinen heutigen Gast in das Photonstudio eingeladen. Martin Wittmann ist Marketingleiter für den Bereich Sensorik bei OSRAMs Geschäftseinheit für Opto Semiconductors. Für den Bereich also, dessen Produkte mit Hilfe von unsichtbarem Licht unsere Umwelt erfassen und damit faszinierende neue Anwendungen ermöglichen.

Dieter: Martin, willkommen im Photonstudio!

Martin: Danke dir Dieter, freut mich sehr mit dir sprechen zu können!

Dieter: Lass uns gleich in das Gespräch einsteigen. Du bist bei uns in der Geschäftseinheit OSRAM Opto Semiconductors, die in Regensburg angesiedelt ist. Dort bist du Marketingleiter für den Bereich Sensing, richtig?

Martin: Richtig!

Dieter: Wie sieht eigentlich dein Berufsalltag aus? Was macht so ein Marketingleiter für diesen speziellen Bereich?

Martin: Sensing ist ein wichtiger Wachstumsbereich für OSRAM Opto Semiconductors. Und als Marketingleiter bin ich gemeinsam mit einem globalen Team für die erfolgreiche Positionierung und Vermarktung unseres Produktportfolios verantwortlich. Ich denke, ein Schlüssel zum Erfolg ist hierbei die enge Zusammenarbeit mit unserem Vertrieb und die Nähe zu unseren Kunden. Also ganz klar ein Kundenfokus. So können wir Markttrends frühzeitig erkennen und unseren Konkurrenten möglichst einen Schritt voraus sein.

Dieter: Das Wort Sensing, was beinhaltet das eigentlich?

Martin: Grundsätzlich differenzieren wir bei OSRAM Opto Semiconductors zwischen sichtbarem und unsichtbarem Licht. Wir adressieren beides. Auch im Sensing Bereich nutzen unsere Produkte und Lösungen sowohl sichtbares als auch unsichtbares Licht, sogenanntes Infrarotlicht, was für den Bereich Sensing sehr wichtig ist. Die Auswahl der Wellenlänge des Lichtes hängt vom konkreten Anwendungsfall ab, konkret welche Informationen unsere Kunden detektieren möchten. Ein Beispiel: Fitnessarmbänder oder sogenannte Smartwatches nutzen beides, sowohl sichtbares als auch unsichtbares Licht, um unsere Gesundheitswerte zu ermitteln. Viele andere Sensing Anwendungen, wie zum Beispiel der Bereich Sicherheitsüberwachung, nutzen Infrarotlicht mit 850 oder 940 Nanometer. Dieser Wellenlängenbereich ist der Kernwellenlängenbereich für Sensing und wir bezeichnen diesen als NIR (near infrared).

Dieter: Du hast ein sehr gutes Beispiel genannt mit diesen Smartwatches und Fitnesstracker, was viele Sportler bei sich haben. Ich habe auch so eine Uhr, weil ich viel jogge oder Rennrad fahre. Und tatsächlich ist auf der Rückseite so ein Emitter, also ein Lichtmodul, welches grün leuchtet. Aber wie funktioniert das? Kannst du erklären, warum es unbedingt so ein grünes Licht braucht und wie kann das Licht ermitteln, wie hoch mein Puls gerade ist?

Martin: Grundsätzlich haben wir für die Gesundheitsanwendungen eine Emitter-Komponente und eine Detektor-Komponente. Die Wellenlänge hängt etwas davon ab, an welcher Körperstelle wir messen. Für das Armgelenk hat sich grünes Licht gut etabliert, ist am genausten. Bei anderen Messverfahren, beispielsweise am Ohr, liefert eine andere Wellenlänge bessere Ergebnisse und eine höhere Genauigkeit.

Was wir seitens OSRAM liefern ist die Emitter-Technologie und die Detektor-Technologie, um möglichst zuverlässig den Puls zu messen und zum Beispiel auch die Sauerstoffsättigung im Blut. Wir sehen gerade im Bereich Vital Sign Monitoring einen sehr großen Marktbedarf, weil Leute ihre Fitness kontrollieren wollen. Gerade auch in Zeiten von Corona ist die Messung der Sauerstoffsättigung im Blut sehr wichtig, und unsere Technologie leistet hier einen Mehrwert.

Dieter: Gute Überleitung zu meiner nächsten Frage. Jetzt in der Corona-Zeit mit Ausgangsbeschränkungen oder Quarantäne sind viele Sportarten gerade unmöglich. In das Fitnessstudio kann man nicht mehr gehen und auch Gruppensportarten sind aktuell noch verboten. Das heißt, viele Menschen entdecken für sich zum Beispiel den Laufsport oder setzen sich aufs Fahrrad. Dann wollen sie natürlich sehen, ob sie fitter werden und wie die Trainingssteigerung und die Performance ist. Dazu eignen sich natürlich Smartwatches oder auch Fitnesstracker mit integrierten Sensoren besonders gut. Spürt OSRAM auf der Kundenseite eine erhöhte Nachfrage nach diesen Modulen, welche wir da verbauen können?

Martin: Ja, definitiv. Wir sehen zum einen, dass der Bereich Fitness Monitoring sehr stark nachgefragt wird. Zum anderen sehen wir aber auch einen erhöhten Bedarf an medizinischen Lösungen, die nochmals etwas hochwertiger sind, um zum Beispiel die ältere Bevölkerung zu überwachen. Auch dort sehen wir derzeit sehr viel Nachfrage. Dort ist es wichtig, dass man die Messgenauigkeit nochmals höherschraubt. Das sind Anforderungen speziell an unsere Kunden, welche die Algorithmen entwickeln. Aber wir arbeiten natürlich sehr eng mit ihnen zusammen, um auch solche medizinischen Lösungen zu entwickeln, gerade aktuell mit dem Thema Covid-19.

Dieter: Wir haben uns im Januar, noch vor Corona, in Las Vegas auf der CES 2020 (Consumer Electronics Show) getroffen, wo du mir sehr spannende Einblicke in das Thema Sensing für Smartphones gegeben hast. Wir haben vor so einen großen Screen gestanden, wo diverse Applikationen über Touchscreen erklärt wurden. Man hält sein Handy zum Beispiel an eine Tomate oder einen Apfel und das Handy kann dir sagen, wie frisch dieses Stück Obst ist und wie viele Kalorien es hat. Sprich mit spektroskopischen Verfahren kann man die frische von Lebensmittel feststellen. Im Bereich Automotive gibt es sogenannten DMS Systeme, also Driver Monitoring Systeme. Kannst du uns da vielleicht ein bisschen mehr erzählen was das bedeutet und wo wir hier vertreten sind?

Martin: Driver Monitoring ist eine neue Sicherheits- und Fahrassistenz-Anwendung, die wir im Autoinnenraum sehen. Ziel ist es hierbei, die Aufmerksamkeit des Fahrers zu überwachen, um zum Beispiel eine einsetzende Müdigkeit zu detektieren. In einigen Oberklassemodellen gibt es diese Funktion bereits heute auf der Straße. Die Systeme basieren auf einer Infrarot Beleuchtung, einer Kamera mit einem sogenannten CMOS Image Sensor und einer Software zur Bildauswertung, die letztendlich das Video des Fahrers analysiert. OSRAM Opto Semiconductors ist der führende Hersteller für die Infrarot Beleuchtung. Für diese können Infrarot-Emitter, sogenannte iLEDs eingesetzt werden. Diese sind schon seit einigen Jahren auf dem Markt sind und wir sind dort einer der Hauptlieferanten. Neuerdings sehen wir auch eine innovative Lasertechnologie, die sogenannte VCSEL Technologie, welche jetzt von Herstellern nachgefragt und eingesetzt wird.

Dieter: Du hast jetzt ziemlich viele Begriffe genannt und auch die Verfahren kurz angesprochen. Aber nochmal, zum Verstehen: Ich sitze am Steuer und im Cockpit sind diese Module verbaut. Sprich ein Licht-Emitter sendet Infrarotlicht aus, dann gibt es CMOS Kameras, also wie ein Sensor in einer Digitalkamera, und dann braucht man noch eine spezielle Software, welche mit Hilfe von künstlicher Intelligenz oder wie auch immer erkennt, ob der Fahrer nur gähnt oder beinahe einschläft und vielleicht einen Unfall baut. Oder wie kann man sich das vorstellen?

Martin: Es dreht sich viel um Algorithmen. Letztendlich wird deine Pupille überwacht, die Kopfneigung und es werden deine Augen verfolgt. Der Algorithmus erkennt, ob du Schritt für Schritt müder wirst oder ob du aufmerksam bist und gibt dir dann ein Warnsignal. Im schlimmsten Fall könnte das Auto eingreifen, wenn man feststellt, dass du nicht mehr aufmerksam bist. Da steckt viel Know-How in dem Algorithmus und teilweise auch künstliche Intelligenz, um diese Fahrerüberwachung via Software vorzunehmen. Die homogene und effiziente Ausleuchtung des Bereiches, welchen die Kamera erfasst, ist dabei sehr wichtig. Und das ist eine unserer Kernstärken, um so die Basis für ein zuverlässiges System zu schaffen.

Dieter: Nur kurz zu verstehen, in diesem Verfahren sind wir Lieferant von Licht-Emitter-Systemen. Das heißt die Kamerasensoren, die Software und die Algorithmen kommen dann von Kunden, mit denen wir zusammenarbeiten?

Martin: Ganz genau!

Dieter: In manchen Oberklassemodellen ist die Technologie mittlerweile schon verbaut. Wenn das wirklich stark zur Sicherheit des Fahrers und allgemein des Autoverkehrs beiträgt, kann man dann erwarten, dass es in einigen Jahren vielleicht auch zur Norm und Pflicht wird, dass Autos dieses System haben müssen, damit sie überhaupt zugelassen werden? Oder bleibt es immer ein Feature, wofür man viel Geld ausgeben muss?

Martin: Nein, absolut nicht. Wir sehen, dass diese Technologie über die nächsten Jahre Einzug von der Oberklasse in die Mittelklasse erhalten wird. Wir arbeiten zum einen daran, die Systeme noch etwas kostengünstiger zu machen. Das ist natürlich ein wichtiger Faktor, aber ansonsten sehen wir auch, dass die Sicherheitsstandards wie zum Beispiel der NCAP Standard in Europa diese Sicherheitssysteme sehr stark forcieren und da auch einen Anreiz schaffen. Letztendlich ist das große Ziel von uns allen, die Anzahl der Verkehrstoten zu minimieren und die Anzahl der Unfälle zu minimieren. Und häufig ist die Unfallursache aufmerksamkeitsbedingt. Man ist abgelenkt, Stichwort Handy etc. Und diese Sicherheitssysteme helfen einem wirklich, sich zu konzentrieren und auf die Straße zu schauen.

Dieter: Kannst du mir da ein Beispiel geben? Wie wird das System dann einen Fahrer ermahnen, wenn man da aufs Handy schaut? Wird das Auto ein Warnzeichen geben oder vibriert das Lenkrad, oder wie kann man sich das vorstellen?

Martin: Es ist heutzutage so, dass es ein akustisches Signal gibt. Typisch gibt es dann auch ein Warnsignal im Display, und es kann auch eine Vibration z.B. im Lenkrad geben. Bis hin zum wirklichen Eingreifen, so dass der Bordcomputer übernimmt und das Fahrzeug abbremst. Da sind verschiedene Szenarios möglich, je nachdem, wie unaufmerksam der Fahrer ist. Aber Schritt eins wäre ein akustisches Signal oder ein Signal am Display.

Dieter: Martin, du hast das Wort VCSEL genannt. Die Abkürzung steht für Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser. Kannst du mal kurz erklären, was das genau ist und was das alles macht?

Martin: VCSEL sind eine Schlüsseltechnologie für das rasant wachsende Anwendungsfeld 3D-Sensing. Wir sehen einen wahrhaftigen Boom aktuell für diese Technologie, gerade durch den Einsatz in Smartphones für beispielsweise die 3D-Gesichtserkennung. Aber diese 3D-Erkennung mit VCSEL wird über kurz oder lang auch im Automotive Bereich Einzug erhalten. Eine Option ist zum Beispiel die Fahreridentifizierung im Auto, ähnlich wie wir es mit dem Mobiltelefon sehen. Das Fahrzeug könnte anschließend zum Beispiel automatisch dein gewünschtes Klima einstellen, die passende Sitzposition oder gleich deine Lieblingsplaylist laden. Im Endeffekt eine Verbesserung deines Fahrerlebnisses und deines Komforts.

Dieter: Das heißt, wenn ich mein Auto ohne Schlüssel entsperren möchte, dann schaue ich auf einen bestimmten Spot und das Auto sagt „Hallo, Dieter!“, und ich steig ein. Und zum anderen kann man wahrscheinlich auch Profile speichern, wie das auch im Telefon oder Smart Home der Fall ist. Wenn sich dann jemand anderes hinsetzt, wird das Gesicht gescannt, und ein anderes zum Beispiel eine andere Musik-Playlist geladen. Das Auto verhält sich dann also anders, weil ein anderer Fahrer da ist oder ist das zu viel Zukunft, was ich gerade denke?

Martin: Nein, das ist richtige! Es ändert sich sogar bis hin zum Fahrverhalten, wenn du zum Beispiel etwas rasanter fährst als deine Freundin.

Dieter: Du sagst, dass VCSEL überall dort einsetzbar ist, wo man die Dritte Dimension braucht, also die 3D-Erfassung. In vielen Autos gibt es mittlerweile Sprachbefehle, also zum Beispiel Musik leiser machen, lauter machen, die Navigation steuern und so weiter. Kann man VCSEL auch dort einsetzen, um bestimmte Befehle im Auto per Handbewegung zu steuern? Zum Beispiel, dass eine bestimmte Handbewegung für leiser machen steht?

Martin: Das ist ein gutes Beispiel und ein interessantes Thema. Es gibt heute schon einfache Gestensteuerungen direkt am Display. Wir sehen für die Zukunft den Bereich als interessant an, vor allem, wenn wir über das Thema autonomes Fahren und autonome Konzepte nachdenken. Aktuell ist es ja so, dass ich viel am Lenkrad kontrollieren kann, zum Beispiel die Lautstärke oder zum nächsten Sender springen. Aber ich denke in Zukunft, wenn man sich von dem Lenkrad löst und wirklich autonom fährt, ist die Gestensteuerung sehr interessant, weil ich nicht mehr zur Mittelkonsole greifen muss. Mit 3D-Sensing kann ich sehr genau Gesten erkennen, z.B. eine Handbewegung um zum nächsten Radiosender zu schalten oder die Klimaanlage mit einer Handbewegung regulieren. Das sehen wir wirklich als interessant an und das sind auch die Trends, die wir von den Automotive OEMs hören. Um das Ganze im Fahrzeug nochmal intuitiver zu gestalten ist die VCSEL Technologie prädestiniert, da ich eine sehr hohe Messgenauigkeit brauche, um das zuverlässig und sauber Regeln zu können.

Dieter: Aber was wäre dann der Vorteil gegenüber den ganz normalem Sprachbefehl, den jeder sowieso schon ausführt? Warum braucht man das jetzt noch?

Martin: Ich denke, die Automobilhersteller wollen definitiv eine gewisse Redundanz den Kunden bieten und sich nicht nur auf einen Pfad verlassen. Das sehen wir schon in verschiedenen Bereichen, z.B. bei den Mobiltelefonen, um zwei Pfade zu ermöglichen. Wir sehen auch, dass sich die Systeme gut ergänzen. Beispielsweise ist es so, dass die Sprachsteuerung Schwächen hat, wenn ich spreche und gleichzeitig das Radio läuft. Das stört z.B. die Spracherkennung. Und wenn ich das Ganze mit einem Kamerasystem fahre, können wir wirklich erkennen, ob der Befehl vom Fahrer kommt oder ob es vielleicht ein Wort vom Radio ist. So kann ich zwischen den Systemen auch nochmals optimieren und sicherstellen, dass das Ganze zuverlässig funktioniert und dass es keine Probleme bei der Steuerung gibt. Ich denke, es ist ganz wichtig für die Fahrer oder die Besitzer des Automobils, dass solche Funktionen zuverlässig laufen. Und da sehen wir die Redundanz hier als Vorteil. Sprachsteuerung plus das Thema 3D-Sensing.

Dieter: Das heißt wenn im Radiosender irgendwas über die Schuldenbremse erzählt wird und das System das falsch versteht und ungewollt einen Bremsvorgang initiiert, greifen wir eher zur Gestensteuerung oder?

Martin: Richtig, das sollte natürlich nicht passieren.

Dieter: Martin, ich glaube, wenn die Zuhörer uns zugehört haben und das ganze Gespräch mitverfolgt haben, fragt man sich automatisch, ob das Licht die Augen dann nicht schädigt? Wie stellen wir sicher, dass wenn ich ständig mit diesem Licht beleuchtet werde, es nicht schädigend für die Netzhaut und die Augen ist?

Martin: Erstmal zum Thema Augensicherheit, weil es ganz klar für uns oberste Priorität hat. Es ganz wichtig, dass wir die Sicherheit der Augen gewährleisten und auch entsprechende Standards gemeinsam mit unseren Kunden erfüllen auf der Applikationsebene. Das Infrarotlicht in diesen Anwendungen wird flächig abgestrahlt, das heißt anders zu einem punktuellen Laser wird das Infrarotlicht aufgespreizt. Das heißt die Strahlungsdichten sind deutlich niedriger und in aller Regel unkritisch für das menschliche Auge. Zudem werden diese Infrarot Lichtquellen gepulst, sodass wir die Strahlungsleistung weiter senken können. Das heißt, sie sind nicht kontinuierlich an, sondern sie werden gepulst. Außerdem kooperieren wir sehr eng mit unseren Kunden, um diese Applikationsaspekte gemeinsam zu adressieren und sicherzustellen, dass die Systeme wirklich sicher sind und es keine Schäden für die Insassen in dem Automobil gibt. Zum Thema Wellenlänge gibt es ein paar interessante Aspekte. Zum einen hängt die Wellenlänge davon ab, welche Detektoren wir einsetzen. Typischerweise sind die Detektoren am empfindlichsten um die 800-850 Nanometer, allerdings bei dieser Wellenlänge um die 800-850 Nanometer sehen wir noch ein leichtes Glühen dieser Infrarot-LEDs und das ist in aller Regel unerwünscht. Du musst dir vorstellen, wenn du vor dem Lenkrad sitzt, und du hast eine leicht glühende Quelle direkt vor dir, ist es eher unerwünscht, und das wollen natürlich die Automobilhersteller nicht. Von daher gehen wir auf die 940 Nanometer, die wirklich nicht sichtbar sind für das menschliche Auge. Also solche Aspekte, spielen auch mit rein. Wie du dir vorstellen kannst ist Automotive Interieur heilig und es muss tipptopp aussehen, selbst wenn vielleicht die Kameratechnologie bei kürzeren Wellenlängen etwas sensitiver wäre. Aber wir sind da relativ flexibel, je nachdem ob es stört oder nicht, bieten wir zwei verschiedene Wellenlängen an.

Dieter: Noch eine vorletzte Frage von mir zu diesem Thema. Kann man auch weiter fantasieren und zum Beispiel sagen, wenn ich im Taxi aussteige und meine Tasche vergesse, dass man mit Hilfe von Sensing im Auto nach Gegenständen scannt und dann sagt, da ist noch ein Gegenstand, welcher dem Passagier gehört? Wäre auch so eine Richtung denkbar und wäre das interessant für die Autobauer?

Martin: Absolut, das ist im Endeffekt der dritte Bereich. Wir differenzieren das Thema Driver Monitoring, das Thema Gestenerkennung, und die Nummer drei ist das sogenannte In-Cabin Monitoring, wo wir den kompletten Innenraum des Fahrzeuges überwachen können. Und da ist es durchaus möglich, selbst kleinere Gegenstände auf der Rücksitzbank zu detektieren. Das ist möglich mit dem Kamerasystem und der Genauigkeit, die wir umsetzen können. Wir sprechen dabei von wenigen Millimeter und es wäre absolut denkbar, wenn du deinen Geldbeutel vergessen hast, dass so etwas detektiert werden kann oder eine kurze Kontrolle erfolgen kann zum Ende deiner Taxifahrt zum Beispiel.

Dieter: Gibt es schon erste Tests? Ohne zu viel zu verraten, aber du sagen wo wir da stehen?

Martin: Es gibt erste Prototypen auf der Straße, so viel kann ich sagen.

Dieter: Da bin ich gespannt, in wie vielen Jahren ich mir dann nach der Taxifahrt keine Gedanken mehr machen muss, um meinen Ausweis oder meinen Geldbeutel. Meine allerletzte Frage mittlerweile fast Standard. Du als studierter Elektroingenieur arbeitest als Marketingleiter bei uns. Das heißt technisch musst du viel machen und verstehen, aber andererseits dann auch durch tolle Präsentation den Kunden überzeugen, dass unsere Produkte und nicht die von der Konkurrenz super sind. Was macht dir am meisten Spaß an deiner Arbeit? Ist es der technische Aspekt? Ist es mit den Kunden sprechen oder etwas von beiden?

Martin: Gute Frage, zum Glück vieles. Am meisten Spaß bereitet es mir mit unseren Schlüsselkunden, gemeinsam neue, innovative Lösungen auszuarbeiten und neue Märkte zu erschließen. Viele der Anwendungen sind neu, wie du gerade auch versucht hast ein bisschen herauszufinden. Und ich denke, dass das Photonik Geschäft allgemein, aber auch insbesondere der Bereich Sensing ein gewaltiges Potenzial für uns bietet. Und ich sehe, dass wir mit unseren Technologien den Endkunden ermöglichen, mehr Komfort, mehr Sicherheit und mehr Lebensqualität zu haben. Und das bereitet mir wahnsinnig viel Spaß, auch diese enge Zusammenarbeit mit den Kunden unserem globalen Team. Das ist jeden Tag klasse.

Dieter: Martin, das passt ja perfekt zur OSRAMs Mission. Die Mission ist ja bekanntlich, dass wir mit Lichtapplikationen das Leben der Menschen besser machen und wie du sagst auch sicherer, einfacher und leichter.Martin, vielen Dank für deine Zeit heute, es war ein spannendes Gespräch. Obwohl ich mich gut vorbereitet habe, waren auch viele Sachen heute neu. Gerade was die Wellenlänge angeht, fühlte mich so ein bisschen wie im Physikunterricht in der Oberstufe und dann noch ein bisschen Science-Fiction. Ich danke dir ganz herzlich für deine Zeit und bin schon mal gespannt Prototypen mit unserer Technologie auf den Straßen zu sehen, welche den Fahrern beste Erlebnisse ermöglichen.

Martin: Vielen Dank für die Möglichkeit und bleib gesund!

Dieter: In dieser Episode vom Photonstudio hat Martin erklärt, wie infrarotes Licht die Autofahrten sicherer und angenehmer machen. Diese und alle anderen Episoden unseres Podcasts können Sie auf Soundcloud, iTunes, Spotify und Google Podcast. Wenn Sie mehr über die modernen Fahrerassistenzsysteme und innovative Lösungen, die mit infrarotem Licht möglich sind, wissen wollen, empfehle ich die Online-Version unseres Innovationsmagazins ON. Auf OSRAM Group Website im Bereich Innovation finden Sie zudem viele weitere spannende Artikel aus der Welt der Photonik. Viel Spaß damit und bis zur nächsten Episode im Photonstudio!

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