Intelligentes Licht für Autos: Multipixel-LED, flexible OLED und Laser

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Heller, weiter, blendfreier, kleiner, energieeffizienter, intelligent und digital: Nach diesen Vorgaben entwickeln Ingenieure immer neue Lichttechnologien für das Auto. Das rasanteste Wachstum verzeichnen LEDs (light-emitting diode): Während die Automobilbranche 2017 weltweit rund 2,8 Milliarden US-Dollar mit Leuchtdioden erwirtschaftete, soll 2018 der Umsatz um 12,45 Prozent auf fast 3,2 Milliarden US-Dollar steigen, prognostiziert das Marktforschungsunternehmen LEDInside.

Mit einer Farbtemperatur von 5500 Kelvin liegt LED-Licht näher am Tageslicht (6500 K) als Xenon-Licht (4.200 K). Leuchtdioden verbrauchen bis zu 80 Prozent weniger Energie als Halogenleuchten und sind mit bis zu 10.000 Stunden Lebensdauer relativ ausfallsicher. Da einzelne Leuchtdioden im Vergleich zu Halogen- oder Xenon-Gasentladungslampen geringe Lichtströme erzeugen, werden sie meist zu einer Matrix zusammengeschaltet.

Adaptives Licht: LED-Matrix plus Kamera

In Kombination mit einer Kamera, die vorausfahrende und entgegenkommende Fahrzeuge oder auch Fußgänger erkennt, unterstützen Matrix-LEDs die Fahrassistenzsysteme. Damit andere Verkehrsteilnehmer nicht geblendet werden, schaltet ein Steuergerät situativ einzelne Lichtpunkte ab oder reguliert ihre Helligkeit. Insbesondere die Windschutzscheiben entgegenkommender Fahrzeuge werden auf diese Weise ausgespart. Länge und Verteilung des Lichtkegels passen sich automatisch jeder Verkehrssituation an, so dass Fahren mit Dauerfernlicht möglich ist.

Unter Bezeichnungen wie „Matrixlicht“ oder „Adaptive Driving Beam“ ist die Technik inzwischen bei Serienfahrzeugen zu finden. Bei aktuellen Fahrzeugen der Premiumklasse werden pro Scheinwerfer derzeit maximal 84 LED-Lichter verbaut, zum Beispiel bei der Mercedes E-Klasse oder Porsche.

Erste Hybrid-LED: Eviyos mit 1024 Pixeln

Doch der Sprung von 84 auf 1024 Pixel – also eine zwölfmal höhere Auflösung – ist bereits geschafft. Auf Basis des Forschungsprojektes µAFS von Osram Opto Semiconductors (electronica, Halle B4 Stand 155), Fraunhofer (electronica, Halle C5 Stand 426), Daimler, Hella und Infineon (electronica, Halle C3 Stand 502) wurde der Prototyp einer Hybrid-LED namens Eviyos entwickelt.

Sie kombiniert den lichtemittierenden μ-strukturierten Chip und die Ansteuerelektronik für die einzelnen LED-Pixel in einem Bauteil. So finden die 1024 Pixel der Eviyos auf einem Raum von nur 4 Quadratmillimetern Platz. Die Lichtquelle hat eine Lichtstärke von mindestens 3 lm pro Pixel bei 11 mA. Eine elektronische Steuereinheit gibt auf Basis von Kamera- und Sensorinformationen die geeigneten Helligkeitseinstellungen für jeden einzelnen LED-Pixel vor. Dabei werden immer nur die Pixel eingeschaltet, die in der Fahrsituation erforderlich sind.

Die Markteinführung ist für Anfang 2020 geplant. Auf der Basis von Eviyos lassen sich deutlich bessere adaptive Frontscheinwerfer mit präziser Steuerung, kompakten Maßen und hoher Energieeffizienz bauen. Alle Lichtverteilungen lassen sich elektronisch erzeugen, also ohne optomechanische Aktoren. Hersteller können die Anzahl der Hybrid-LEDs variieren und mit herkömmlichen LEDs ergänzen.

Scheinwerfer zeichnet Symbole auf die Straße

Unter der Bezeichnung „Digital Light“ entwickelt Daimler ein Fernlicht in HD-Qualität mit mehr als einer Millionen Lichtpunkten. Im Scheinwerfer arbeiten Chips mit über einer Million Mikrospiegeln. Kamera- und Sensorsysteme am Fahrzeug erkennen andere Verkehrsteilnehmer. Rechner werten dann die Daten und digitale Navigationskarten aus und geben den Scheinwerfern Kommandos, die Lichtverteilung anzupassen.

In den Genuss der neuen Technik kommen zunächst nur ausgewählte Kunden des Mercedes Maybach S-Klasse. Die hochauflösenden Scheinwerfer können auch Warnsymbole in HD-Qualität auf die Fahrbahn projizieren, um dem Fahrer den Sicherheitsabstand anzuzeigen, ihn mit Lichtspuren an Baustellen vorbeizuleiten oder per Pfeil auf Fußgänger in Fahrbahnnähe aufmerksam zu machen. Die Warnsignale sind dabei nur für den Fahrer sichtbar.

Im nächsten Schritt sollen hochauflösende LED-Scheinwerfer nicht nur mit dem Fahrer, sondern auch mit ihrer Umgebung kommunizieren: Wenn das Auto am Straßenrand einen Fußgänger erkennt, könnte der Scheinwerfer einen Zebrastreifen auf die Straße projizieren.

Ab Tempo 70: Laser-Spot als Fernlicht

Wegen seiner großen Reichweite eignet sich Laserlicht als Fernlicht in Kombination mit LED. Der Lichtspot des Lasers ist schmal, aber sehr leuchtstark. Er reicht mehr Hundert Meter weit. Im Vergleich zu LED-Scheinwerfern hat Laserlicht eine rund 70 Prozent höhere Lichtausbeute, verbraucht 30 Prozent weniger Strom und beansprucht weniger Platz.

Laserlicht ist derzeit noch dem Premiumsegment der Fahrzeuge vorbehalten. So hat zum Beispiel der Hybridsportler BMW i8 gegen Aufpreis Laserfernlicht an Bord. Das Fernlicht arbeitet zweistufig: Ab 40 km/h lässt sich das LED-Fernlicht zuschalten. Ab Tempo 70 illuminiert Laserfernlicht die Fahrbahn und verdoppelt die Reichweite des Lichts von 300 auf 600 Meter. Auch beim BMW 7 und M850i xDrive Coupé setzt der bayerische Automobilbauer auf Laserlicht.

Audi bietet zu seinem A8, der serienmäßig mit Matrix-LED-Fernlicht mit 32 einzeln regelbaren Leuchtdioden ausgestattet ist, optional Laserfernlicht an. Der Lichtkegel passt sich dynamisch dem Straßenverlauf an. Sobald die Kamera andere Fahrzeuge erkennt, blendet der Laser-Spot ab.

Lichtinszenierungen mit OLED

Der Trend bei Heckleuchten sind OLEDs (organic light emitting diode). Während LEDs Punktlichtquellen sind, erzeugen organischen Leuchtdioden flächige Leuchtareale. Sie leuchten homogen, lassen sich einzeln stufenlos dimmen, sind extrem flach und leicht. Die Lichtquelle kommt den Bedingungen natürlichen Lichtes sehr nahe und verbraucht wenig Energie. Mit OLEDs können Autohersteller verschiedenste Lichtkonzepte wie Prismenstäbe, Lichtvorhänge oder Spiegeltunnel realisieren. Die Leuchtfläche lässt sich in dynamisch ansteuerbare Segmente unterteilen, um zum Beispiel per Fernbedienung eine spezielle Lichtszene abzuspielen.

Der erste Automobilhersteller, der OLEDs in Serie auf die Straße brachte, war BMW. Seit 2016 sind die Heckleuchten des M4 GTS mit OLEDs ausgestattet. Pro Leuchte sorgen 15 OLEDs für eine Helligkeit von 1200 cd/m². Beim aktuellen Audi A8 erstreckt sich ein OLED-Lichtband über das gesamte Fahrzeugheck. Jede der acht organische Leuchtdioden ist in vier Segmente unterteilt: je zwei für das Schluss- und das Bremslicht. Die Segmente lassen sich separat ansteuern und ermöglichen unterschiedliche Lichtinszenierungen.

OLED-Folien: neue Autofarbe auf Knopfdruck

Blau, Silber oder Neongelb? Wer ein Fahrzeug kauft, muss sich für eine Lackfarbe entscheiden – und dann damit leben. Noch. Fahrzeuge der Zukunft könnten per Knopfdruck ihre Farbe wechseln – dank Nanotechnologie. Dem Lack ließen sich winzige Teilchen beimischen, die auf elektrische Impulse hin den Farbeindruck ändern. Auch OLED-Folien wären denkbar.

So entwickelte das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP (electronica, Halle 5C Stand 426) gemeinsam mit Präzisionsgewebehersteller Sefar eine hochleitfähige, flexible Folie, die großflächige, homogene OLED-Beleuchtung ermöglicht. „Das neue Elektrodensubstrat wird im Rolle-zu-Rolle-Verfahren prozessiert“, erklärt Roland Steim, Projektleiter bei Sefar. Das folienähnliche Substrat hat eine sehr hohen Leitfähigkeit von bis zu 0,01 Ohm/Quadrat und ist transparent. Die hohe Leitfähigkeit ermöglichen eingebettete Metalldrähte mit einem Durchmesser von 40 μm.

Bald serienreif: Flexible OLED

Eine weitere faszinierende Eigenschaft von OLEDs: Biegsamkeit. Neben konkaven und konvexen Biegungen können OLEDs auch Einschnitte im Leuchtbereich aufweisen. Flexible OLEDs ermöglichen somit freie Formgestaltung. Im Rahmen des Projekts R2D2 formte Automobilzulieferer Hella flexible Osram-OLEDs in dreidimensionale Module, um Rückleuchten nach Audi-Design zu realisieren. Da die flexiblen OLEDs aus drei einzeln steuer- und dimmbaren Segmenten bestehen, erfordern sie keine zusätzlichen Reflektoren, Lichtleiter oder Optiken. Nach Einschätzung der Projektbeteiligten werden flexible OLED in wenigen Jahren serienreif sein.

IRED: sicher unterwegs mit Infrarotlicht

Zukunftspotenzial im Automobilsektor haben auch Infrarot-LEDs, kurz IREDs. Viele sicherheitsrelevante Automobilsysteme arbeiten damit. Während Helligkeit und Effizienz merklich besser geworden sind, haben sich Platzbedarf und Herstellungskosten verringert.

Je nach Wellenlänge kommen Infrarot-LEDs in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. IR-Dioden mit einer Wellenlänge von 850nm leuchten das Umfeld des fahrenden Autos aus. Sie unterstützen Kameras, die zur Unfallprävention die Fahrzeugumgebung überwachen. Das menschliche Auge nimmt Infrarotlicht in diesem Spektralbereich als rotes Leuchten wahr. Im Innenbereich des Fahrzeugs – etwa bei der Infrarotausleuchtung für kameragestützte Fahrerüberwachung wie Müdigkeits- und Blickrichtungserkennung – wird Infrarotlicht mit 940nm verwendet. In LiDAR-Systemen (Light Detection And Ranging), die die Umgebung bis zu einer Distanz von 150 Metern abtasten, dienen IR-Dioden mit Wellenlängen zwischen 905 und 940nm als Lichtquellen.

Erfahren Sie alles zum Thema Automotive auf der electronica in Halle B4, im Automotive Forum sowie in der electronica Automotive Conference.

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DIGITAL LIGHT ermöglicht bahnbrechende Fahrassistenz. Symbole können in HD-Qualität auf die Straße projiziert werden. Beim Fahren in einer Baustelle werden ein Baustellenwarnsymbol und zwei Lichtspuren auf die eigene Fahrspur projiziert. Diese Leitlinien entsprechen der gesamten Breite des Fahrzeugs und helfen dem Fahrer bei der Orientierung. Aktiv oberhalb von 30 km/h. DIGITAL LIGHT makes trailblazing driving assistance possible. Symbols can be projected onto the road in HD quality. When driving through roadworks, a roadworks warning symbol and two light traces are projected onto the vehicle's lane. These guidelines represent the overall width of the vehicle, and help the driver to maintain his bearings. Active at speeds above 30 km/h.