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DLP-Technologie ermöglicht hochauflösende adaptive Scheinwerfer

| Autor / Redakteur: Brian Ballard * / Thomas Kuther

Bild 1: Beispiel für adaptive Scheinwerfer. Der Lichtkegel des roten Fahrzeugs blendet das entgegenkommende Auto vollkommen aus.
Bild 1: Beispiel für adaptive Scheinwerfer. Der Lichtkegel des roten Fahrzeugs blendet das entgegenkommende Auto vollkommen aus. (Bild: Texas Instruments)

Um Scheinwerfer mit blendfreiem Fernlicht zu realisieren, setzen Designer inzwischen auf die digitale Ansteuerung einzelner Lichtpixel.

Traditionell leuchtet ein typischer Autoscheinwerfer die vor dem Fahrzeug liegende Fahrbahn aus, um die Sichtverhältnisse für den Autofahrer bei Dunkelheit oder schlechtem Wetter zu verbessern. Dabei beschränkt sich das Abblendlicht auf eine kurze Distanz vor dem Auto, während das Fernlicht nicht nur weiter strahlt, sondern auch einen größeren Winkel abdeckt. Dies war lange Zeit der Stand der Technik, doch inzwischen haben die Scheinwerfersysteme dank neuer technologischer Fortschritte eine Reihe tiefgreifender Veränderungen durchgemacht.

In den 1950er Jahren begannen die Automobilhersteller in den USA damit, die Front ihrer Fahrzeuge mit zwei Sealed-Beam-Scheinwerfern auszustatten, bevor die Fahrzeuge Im Zuge der Weiterentwicklung die Möglichkeit zum Umschalten zwischen Fern- und Abblendlicht boten. Blicken wir auf das Jahr 2018, so stellen wir fest, dass immer komplexere Scheinwerfersysteme Einzug in unsere Autos halten. LED-Leuchtmittel ersetzen die traditionellen Halogen- und Xenonlampen. Kurzfristig werden die Xenon-Lampen und langfristig auch die Halogen-Glühlampen jedoch komplett von LEDs verdrängt werden, da sich mit LEDs dynamische, ansprechende Lichtkonzepte umsetzen lassen.

Wie die US-amerikanische National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) berichtete, geschahen ungeachtet der jahrzehntelangen Entwicklung etwa 30% aller Unfälle, zu denen es im Jahr 2015 in den USA kam, bei Nacht. Einem Report von IHS Markit ist ferner zu entnehmen, dass 50% aller Unfälle in den USA auf Sichtschwächen zurückzuführen sind, und dieser Anteil dürfte bedingt durch die immer älter werdende Bevölkerung weiter zunehmen.

Unterschiedliche Arten von Beeinträchtigungen des Sehvermögens

Nach Angaben der Technischen Universität Darmstadt kommt es bei älteren Autofahrern zu unterschiedlichen Arten von Beeinträchtigungen des Sehvermögens. Dazu zählen eine Verringerung der Sehschärfe, eine altersbedingte Pupillenverengung und eine verlangsamte Helligkeits-Adaptation. Verglichen mit 25-Jährigen benötigen 60- bis 65-Jährige die doppelte Helligkeit, den doppelten Kontrast und die halbe Blendung, um ein ähnliches Sehvermögen zu entwickeln.

Ungeachtet der Tatsache, dass eine kurzzeitige Blendung ablenken oder eine momentane Blindheit verursachen kann, überließ man es während der gesamten Entwicklungsgeschichte der Scheinwerfer stets den Autofahrern, eine Blendung zu vermeiden. Hierzu stand lediglich der Schalter zum Wechsel zwischen Fern- und Abblendlicht zur Verfügung. Infolgedessen fahren viele Autofahrer mit Fernlicht und mit einem Finger am Fernlichtschalter, solange kein Fahrzeug vor ihnen fährt, um auf Abblendlicht umzuschalten, wenn ein anderes Auto zu erkennen ist. Wie schön wäre es, wenn man das Fernlicht ständig eingeschaltet lassen könnte, um die Sichtverhältnisse zu verbessern!

Adaptive Scheinwerfertechnologie verbessert Sichtverhältnisse

Möglich wird dies mit der adaptiven Scheinwerfertechnologie (Bild 1), die das Fahrassistenzsystem mit der Außenbeleuchtung kombiniert. Neben der Fahrassistenzsystem-Technologie bietet Texas Instruments (TI) jetzt einen DLP-Chipsatz (Digital Light Processing) an, mit dem sich die Scheinwerfer eines Autos mithilfe der adaptiven Scheinwerfertechnologie detailliert steuern lassen. Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer erhalten damit die Möglichkeit, in jedem einzelnen Scheinwerfer mehr als eine Million Pixel einzeln anzusteuern. Mithilfe dieser Technik ist es möglich, einzelne Bereiche auszublenden, in denen andere Autofahrer oder Fußgänger geblendet werden könnten. Es können sogar Informationen auf die Straße projiziert werden, wie etwa Fahrbahnmarkierungen oder Richtungsangaben.

Mikrospiegel als Herzstück des DLP-Chipsatzes

Das Herzstück eines jeden DLP-Chipsatzes ist eine als Digital Micromirror Device (DMD) bezeichnete Anordnung aus Aluminium-Mikrospiegeln. Je nach Konfiguration enthalten DMDs einige Hunderttausend oder gar Millionen einzeln ansteuerbarer Mikrospiegel. Unter jedem Mikrospiegel befindet sich außerdem eine CMOS-Speicherzelle.

Zu dem Mikrospiegel gehört eine flexible mechanische Stützstruktur, mit der sich der Spiegel oberhalb zweier Adresselektroden aufhängen lässt. Diese Elektroden sind mit der Speicherzelle verbunden und erzeugen komplementäre elektrostatische Kräfte, mit denen der Spiegel in eine von zwei stabilen Endlagen gebracht werden kann.

In ein optisches System integriert, fungiert das DMD als ein symmetrisches, bistabiles optomechanisches Element. Die Position des jeweiligen Spiegels entscheidet dabei über die Richtung, in die das Licht reflektiert wird. Die hohe Betriebsfrequenz und die geringe Pixelgröße des DMD machen eine schnelle Modulation und eine geringe Systemlatenz möglich, was zu einer präziseren Steuerung des auf die Straße geworfenen Lichts und damit zu einer besseren Sicht für den Fahrer führt.

DLP-Systeme arbeiten mit beliebigen Lichtquellen

DLP-basierte Systeme sind mit beliebigen Lichtquellen kombinierbar, so zum Beispiel mit LEDs, Laser/Phosphor und Direktlaser. Diese lassen sich so konstruieren, dass sie weniger Strom verbrauchen und mit kleineren, eleganteren Linsen auskommen als bestehende adaptive Scheinwerferlösungen. Die DLP-Technologie ist dabei nicht nur effizient und skalierbar, sondern erlaubt auch eine vermehrte Kontrolle über den Lichtkegel, um eine erhöhte Leuchtweite und bessere Sicht bei schlechten Lichtverhältnissen zu erzielen.

Konkurrierende Lösungen für blendfreies Fernlicht reduzieren entweder die Helligkeit einzelner LEDs im Scheinwerfer oder richten den Lichtkegel nach unten oder zur Seite auf die Gegenfahrbahn. Einige Lösungen wechseln zwischen Fern- und Abblendlicht, und wieder andere drehen sich zur Seite, wenn das Fahrzeug abbiegt. Im Prinzip wird bei diesen Systemen das Licht der Scheinwerfer blockiert oder abgeschaltet, um eine Blendung entgegenkommender oder vorausfahrender Fahrzeuge zu vermeiden. In der Regel tragen Lösungen auf der Basis von LED-Matrizen zu einer reduzierten Blendung bei, indem einige der LEDs abgeschaltet werden.

Das einfache Ein- und Ausschalten mit vorgegebenen, diskreten Strahlmustern ist zweifellos ein Schritt in die richtige Richtung. Dennoch ist damit nicht das Maß an Kontrolle gegeben, das für die Entwicklung von Scheinwerfern mit vollständiger Anpassungsfähigkeit in Echtzeit benötigt wird. Attraktiv ist diese Auflösung und Adaptierbarkeit, weil damit Fahrassistenz-Funktionen wie das gezielte Anleuchten von Verkehrsschildern möglich werden. Dies wiederum wird notwendig, wenn sich die Industrie weiter in Richtung teil- oder vollautonomer Fahrzeuge bewegt.

DLP-Technologie vermindert Blendung

Zu den Vorteilen, die die DLP-Technologie von TI für hochauflösende Scheinwerfersysteme bietet, gehört die Möglichkeit, die Blendung sowohl von Objekten (z.B. Fußgängern wie in Bild 2) als auch von entgegenkommenden Fahrzeugen zu vermindern. Indem man die Systemlatenz, also die Zeitspanne zwischen der Bereitstellung von Informationen durch die Sensoren und der Reaktion des Scheinwerfersystems verkürzt, wird eine hohe Genauigkeit erzielt, weil auf ein Grad Blickwinkel mehr Pixel entfallen. Außerdem wird ein größerer Lichtdurchsatz im System erreicht, sodass unter dem Strich mehr Licht zum Ausleuchten der Fahrbahn zur Verfügung steht. Eine geringe Latenz ermöglicht ferner den Verzicht auf komplexe KI-basierte Algorithmen, die vorhersagen sollen, in welche Richtung sich ein Objekt als nächstes bewegen wird.

Ein DLP-basiertes System nutzt weitere Sensorsignale zum Abschalten desjenigen Bereichs des Scheinwerfers, der auf die Windschutzscheibe entgegenkommender Autos zielen und zur Ablenkung oder gar Blendung des betreffenden Fahrers führen würde. Durch die Verwendung der DLP-Technologie für Scheinwerfersysteme wird eine sehr detailgenaue Steuerung des in einzelne Pixel untergliederten Lichtkegels möglich. Die hiermit realisierbare adaptive Fernlichtfunktion sorgt bei Nachtfahrten für bessere Sicht und mehr Komfort. Bild 3 zeigt das Blockschaltbild eines Scheinwerfersystems auf Basis des DLP-Chipsatzes.

Der Chipsatz DLP5531-Q1 für hochauflösende Scheinwerfersysteme (Bild 4) bietet Ingenieuren bei kleineren Systemabmessungen eine Möglichkeit zur präziseren Steuerung der Lichtverteilung auf der Fahrbahn mithilfe individuell anpassbarer Strahlmuster. Das System erlaubt außerdem das teilweise oder vollständige Dimmen einzelner Pixel, was potenziell ein ständiges Fahren mit Fernlicht ermöglicht, ohne dass andere Autofahrer beeinträchtigt werden.

Künftige Anwendungen der Scheinwerfertechnik

Während sich viele Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer auf den Vorteil besserer Sichtverhältnisse konzentrieren, ist die DLP-Technologie doch zusätzlich auch programmierbar. Sie lässt sich deshalb für die neue Funktionalität konfigurieren, die von teil- und vollautonomen Fahrzeugen benötigt wird.

So kann die DLP-Technologie für Scheinwerfersysteme mit dem Fahrassistenzsystem zusammenarbeiten, um jeweils die richtige Menge Licht auf bestimmte Stellen wie zum Beispiel Verkehrszeichen zu richten, damit diese von den Autofahrern klar erkannt werden können. Die Fähigkeit dieser Technik zum Projizieren von Bildern oder Zeichen auf die Fahrbahn (z.B. Fahrspurmarkierungen oder Navigationshinweise), wird außerdem die Kommunikation zwischen Autofahrern, Fußgängern und anderen Fahrzeugen verbessern. Dieses Feature wird mit dem weiteren Voranschreiten der Industrie immer bedeutsamer werden.

Scheinwerfersysteme auf der Basis dieser Technik lassen sich so programmieren, dass eine bessere Kommunikation zwischen Autofahrern und Fußgängern möglich wird, indem dem Fußgänger Zeichen oder Signale angezeigt werden, die ihm signalisieren, was das Auto als nächstes tun wird. Darüber hinaus kommen spezielle Fahrbahnmarkierungen und verbesserte Car-to-Driver-Funktionen wie etwa die Projektion von Symbolen oder relevanten Informationen (z.B. Navigations- oder Fahrweg-Angaben) als wichtige Aspekte für die Fahrzeuge der Zukunft hinzu.

Chipsatz unterstützt mehr als eine Million einzeln adressierbarer Pixel

Der Chipsatz DLP5531-Q1 unterstützt mehr als eine Million einzeln adressierbarer Pixel pro Scheinwerfer. Der Chipsatz kann mit beliebigen Leuchtmitteln (darunter auch LEDs und Laser) kombiniert werden und eignet sich für einen Betriebstemperaturbereich von –40 bis 105 °C, sodass unabhängig von Temperatur oder Polarisierung einwandfreie Sichtverhältnisse gewährleistet sind.

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* Brian Ballard ist Automotive Lighting Manager, DLP Products, bei Texas Instruments.

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