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LED im Fahrzeug: Die Rolle der Matrixscheinwerfer und was sie leisten

| Autor / Redakteur: Franz-Josef Kalze und Dr. David Brunne * / Hendrik Härter

Mit den LED-Matrixscheinwerfern wird nicht nur für Sicherheit gesorgt, sondern auch individuelles Licht ist möglich.
Mit den LED-Matrixscheinwerfern wird nicht nur für Sicherheit gesorgt, sondern auch individuelles Licht ist möglich. (Bild: Hella)

Mit Matrix-Scheinwerfern bietet sich den Autobauern eine völlig neue Möglichkeit, Licht auf die Straße zu bringen. Dabei kommt es nicht nur auf Sicherheit an. Individuelles Licht hält Einzug.

LED-Matrixscheinwerfer lassen sich präzise ansteuern und sorgen so für eine variable Lichtverteilung im Abblend- und Fernlicht. Das Licht lässt sich dabei nicht nur dynamisch auf die jeweilige Fahrsituation einstellen. Die Hersteller haben damit auch die Möglichkeit, die individuelle Markentypik des Fahrzeugs herauszustellen. Hintergrund: Die Digitalisierung hat längst Einzug in das Automobil gehalten: Sensoren und Kamerasysteme erfassen die Fahrzeugumgebung und sind mit den Scheinwerfern vernetzt, die nicht länger mechanisch, sondern softwarebasiert angesteuert werden. Sogenannte Matrixscheinwerfer erlauben eine völlig flexible und variable Lichtverteilung im gesamten Ausleuchtbereich des Abblend- und Fernlichts.

Ermöglicht wird das durch technisch ausgereifte Scheinwerfermodule, die aus einer mehrzeiligen Pixelanordnung bestehen. Mit ihnen lässt sich die Lichtverteilung dediziert aufteilen. Anders als statische Scheinwerfer-Systeme, bei denen die Lichtverteilung entweder ein- oder ausgeschaltet ist, lassen sich einzelne Pixel zudem stufenlos dimmen. Die zwei Eigenschaften bilden die Basis für neue Funktionen, beispielsweise für das adaptive Fernlicht (Adaptive Driving Beam, ADB). Sobald das Kamerasystem vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge erkennt, schaltet das Steuergerät einzelne Pixel aus – es entstehen so genannte Tunnel und die Verkehrsteilnehmer sind entblendet. Großteile des Fernlichtes bleiben dabei weiterhin eingeschaltet und der Fahrer erhält die beste Sicht auf die Straße. 2013 erschien diese Matrix-Technik zum ersten Mal im Audi A8 auf dem Markt.

Optimale Lichtverteilung für jede Situation

Die Segmentierung erlaubt nicht nur eine höhere Nutzung des Fernlichts, sondern ermöglicht auch, spezifische Lichtverteilungen für verschiedene Situationen zu realisieren. Dazu gehören Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht und Fernlicht. Diese Funktionen sind unter dem Begriff Adaptive Frontlighting System (AFS) zusammengefasst.

Auch lässt sich die Lichtverteilung schnell an verschiedene Zulassungsregelungen für Fahrzeuge auf europäischer (ECE), chinesischer (CCC) und amerikanischer (SAE) Ebene anpassen. Hierzu zählt auch, die Lichtverteilung auf Rechts- und Linksverkehr einzustellen. Daneben sind mit LED-Matrixscheinwerfern neue dynamische Funktionen denkbar. Dazu zählt beispielsweise das Markierungslicht, welches gezielt Objekte anleuchtet, die von der Fahrzeugelektronik als gefährlich eingestuft werden.

Herzstück der Matrixscheinwerfer ist das Lichtquellenmodul, welches die Lichtquellen und die dazugehörige Ansteuerelektronik enthält. Im Wesentlichen stellt das Modul den Lichtstrom zu Verfügung, der schließlich auf der Straße zu sehen ist. Pro Pixel wird eine LED eingesetzt. Gruppen von LEDs werden jeweils von einer Stromquelle versorgt. Dabei hilft die Elektronik, jede einzelne LED kurzzuschließen und damit auszuschalten. Das geschieht mit einer hohen Takt-Geschwindigkeit von mehr als 200 Hz. Dadurch lässt sich die mittlere Leistung der LEDs zwischen 0 und 100 Prozent einstellen.

Die Entwickler des Matrix-Moduls müssen dabei das Licht der LEDs so abbilden, dass es für die Hauptlichtfunktionen nutzbar ist. Der Mindestabstand zwischen den einzelnen LEDs ist so groß, dass bei einer direkten Abbildung das entstehende Lichtbild einem Schachbrettmuster gleichen würde. Um ein geeignetes und homogenes Lichtbild zu formen, ist eine Primäroptik notwendig. Sie ist typischerweise aus Silikon gefertigt, um den hohen Temperaturen und Strahlungsleistungen der LEDs standzuhalten. Darüber hinaus benötigt sie komplexe Formen und scharfe Radien.

Von Optiken und der Software für die Scheinwerfer

Die Primäroptiken erzeugen eine Ebene, in der das Licht so verteilt ist, dass es sich durch eine Linse auf der Straße abbilden lässt. Die spezielle Mikrostruktur der Linse sorgt dabei für den Feinschliff des Lichtbildes, der mit der Primäroptik alleine nicht möglich ist. An dieser Stelle besteht die größte Herausforderung darin, ein homogenes Lichtbild zu erzeugen, ohne die einzelnen Pixel zu verwaschen. Schließlich ist eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze erforderlich, um etwa eine klare Tunnelbildung beim adaptiven Fernlicht zu ermöglichen.

Aufgrund des technischen und optischen Aufbaus hat ein Matrix-Modul bereits das Potenzial, in jedem Pixel auf der Straße eine sehr hohe Intensität zu erzeugen. Es genügt jedoch noch nicht, um eine gewünschte Lichtverteilung zu erzielen. Auch wären die Leistungsaufnahme und die thermische Belastung des Scheinwerfers noch viel zu hoch. Aus diesem Grund ist es möglich, mittels Pulsweitenmodulation die Leistung der einzelnen LEDs zu regulieren und damit die Intensität der Pixel auf der Straße zu steuern. Diese Aufgabe übernimmt das Steuergerät im Fahrzeug.

Hierzu nimmt das Steuergerät verschiedenste Sensordaten auf und berechnet daraus, wie sich die Pixel in dem Matrixscheinwerfer ansteuern lassen. Der Lenkwinkel wird etwa an den Scheinwerfer weitergegeben, damit die Lichtverteilung für Kurven geschwenkt werden kann. Eine Kombination aus Geschwindigkeitsdaten und Kamerainformationen wird genutzt, um Autobahnen, Landstraßen und Ortschaften zu erkennen und die Lichtverteilung daran anzupassen. Sogar die Betätigung des Blinkers wird ausgelesen, um Überhohlvorgänge zu erfassen und die Lichtverteilung entsprechend abzustimmen.

Das blendfreie Fernlicht wird hauptsächlich aus den Kameradaten gesteuert. In Zukunft wird es auch möglich sein, GPS-Daten zu nutzen. Damit kann der Übergang in einen Linksverkehr identifiziert und die Lichtverteilung automatisch angeglichen werden. Auch Kurven sind dann vorhersehbar. Ein vorausschauendes Kurvenlicht unterstützt den Fahrer letztlich noch besser als eine Ableitung aus dem Lenkwinkel. Abgesehen von Sicherheits- und Komfortfunktionen ist es mit Matrix-Modulen möglich, dem Licht eine individuelle und auch emotionale Note mitzugeben.

Matrix-Scheinwerfer sorgen für Sicherheit auf der Straße

Jede der dargestellten AFS- und ADB-Funktionen kann bei gleichbleibendem Sicherheitsgewinn im Detail verschieden ausgelegt werden. Ein klassisches Fernlicht wird etwa als Ganzes eingeschaltet und soll schnell die gesamte Lichtleistung zu Verfügung stellen. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist die wichtigste Funktion damit erfüllt. Mit einem Matrix-System ist es möglich, den Einschaltvorgang freier zu gestalten. Eine typische Variante besteht darin, die Pixel nacheinander von der Mitte nach Außen einzuschalten – bis letztlich das gesamte Fernlicht zur Verfügung steht. Das wirkt wie ein sich öffnender Lichtvorhang. Diese Funktion ist ein Designelement, das emotionalisiert und bei jedem Einschaltvorgang unterstreicht, dass eine Matrix-Funktion in dem Fahrzeug integriert ist.

Eine weitere Möglichkeit für individuelles Licht bietet die Gestaltung des Übergangs zwischen verschiedenen Lichtbildern, wie bei der Tunnelbildung im Fernlicht. Da sich das System immer auf die aktuelle Verkehrssituation einstellt, verschiebt sich der Tunnel kontinuierlich. Die Übergänge lassen sich mit Software abrupt-sportlich oder weich-elegant gestalten. Für verschiedene Fahrzeugtypen kommen die Hersteller auf unterschiedliche Lösungen, die jeweils zu dem Gesamtkonzept des Fahrzeugs passen.

Ähnlich wie ein Getriebe oder Fahrwerk lässt sich das Verhalten auch während der Fahrt anpassen und kann an einen Fahrmodus gekoppelt werden. Die nächsten Entwicklungsschritte für Matrixsysteme haben das Ziel, die vorgestellte Scheinwerfer-Technik zu vereinfachen, um Bauraum und Kosten zu sparen. Insbesondere die Primäroptik ist ein Bauteil, das nicht nur komplex ist, sondern auch einen größeren Bauraum erfordert. Daher wird daran gearbeitet, die leuchtende Fläche auf dem Lichtquellenmodul in eine geeignete Form zu bringen, die sich direkt durch eine Linse abbilden lässt.

Neue Generation adaptiver Frontbeleuchtung

Im Forschungsprojekt µFAS hatten bis September 2016 deutsche Unternehmen eine adaptive Frontbeleuchtung entwickelt. Sie bildete die Grundlage für eine neue Generation adaptiver Frontbeleuchtungssysteme mit mehreren tausend Lichtsegmenten für eine energieeffiziente, vollständig integrierte Generation LED-Scheinwerfer. Die bis zu 1024 Pixeln lassen sich einzeln steuern und passen sich dem Fahrverhalten und der Umgebung an.

Mithilfe von moderner LED-Technik ist es möglich, die Lichtquellen eng aneinander auf der Platine unterzubringen, sodass zwischen den leuchtenden Flächen kein bzw. ein vernachlässigbarer Spalt entsteht. Der Prototyp aus dem Projekt zeigt, dass die Technologie ein großes Potential hat, den aktuellen Stand der Technik abzulösen und kompaktere Matrix-Module zu ermöglichen. Diese Art von Lichtquelle kann in mehr als 10.000 Pixel aufgeteilt werden. Damit lassen sich nicht nur vorhandene Funktionen optimieren, sondern es ergeben sich auch gänzlich neue Funktionalitäten.

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* Franz-Josef Kalze leitet die lichttechnische Entwicklung Module und Dr. David Brunne ist Experte für Matrix-Module. Beide arbeiten bei Hella in Lippstadt.

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