Mehr Design-Freiheit Intelligentes LED-Lichtsystem für Premium-Automobile

Vorteile und Nachteile bei LED-Frontscheinwerfer.
Vorteile und Nachteile bei LED-Frontscheinwerfer.

Durch den Einsatz von LED-Lichtquellen im Frontscheinwerfer ergeben sich Vorteile wie eine erhöhte Lebensdauer, angenehmere Farbtemperaturen oder spektakuläre Design-Möglichkeiten. Doch es gibt auch Herausforderungen. Zum Beispiel: Wie lässt sich eine insgesamt homogene Lichtverteilung erreichen?

Dynamische Lichtfunktionen in der Automobilbeleuchtung sind ebenso alt wie die Beleuchtung selbst. Praxistauglich und nutzbringend wurden diese Funktionen allerdings erst mit der Verfügbarkeit entsprechender Lichtquellen sowie der Möglichkeit einer automatischen Steuerung durch geeignete elektromechanische und optische Systeme. Kurvenlicht und adaptive Lichtverteilungen, wie sie bei Xenon-Systemen erfolgreich umgesetzt werden, erreichen mittlerweile in Fahrzeugen von der Mittelklasse aufwärts eine beachtliche Durchdringung des Marktes. Die Entwicklung hin zu einem größeren Funktionsumfang wird weiterhin im Interesse zunehmender Sicherheit fortgesetzt werden.

Wurde die Lichtverteilung bisher nur geschwenkt und der Hell-Dunkel-Übergang des Abblendlichtes an die Fahrsituation angepasst, ist es nunmehr möglich, die gesamte Lichtverteilung, also Abblendlicht und Fernlicht, an vorausfahrende und entgegenkommende Fahrzeuge sowie andere Verkehrsteilnehmer gezielt anzupassen. Als nächster Schritt in puncto Sicherheit durch Erweiterung der Funktionen von Scheinwerfersystemen kann das separate Markieren und Beleuchten von potenziellen Gefahrenquellen auf und außerhalb der Straße angesehen werden.

Bei aktuellen Scheinwerfersystemen führt das zu einer Erhöhung der mechanischen Komplexität. Heute verfügbare High-Power-LEDs ermöglichen dagegen vergleichbare lichttechnische Funktionen ohne den Einsatz beweglicher Teile. In den vergangenen Jahren wurden mehrere solche Konzepte unter der Bezeichnung „LED-Matrix-Licht“ oder „Pixel Light“ [1,2,3] vorgestellt. Ziel dieser Konzepte war eine segmentierte, aber dennoch homogene Lichtverteilung, die die oben genannten Funktionen lediglich durch Ein- und Ausschalten unterschiedlicher LEDs realisiert.

Das hier vorgestellte LED-System Matrix-lite unterscheidet sich wesentlich von bisher vorgestellten Konzepten. Dieses System bietet deutliche Vorteile in Hinblick auf Styling, Funktionen und Skalierbarkeit und kommt mit bereits handelsüblich erhältlichen LED-Bauformen geringer Komplexität aus. Konzeptionell wurde ein modularer Ansatz verfolgt, bei dem mehrere Projektionsmodule zu einem Gesamtsystem kombiniert werden. Die Funktionen und die Leistungsfähigkeit des Systems können durch die Anzahl und den Aufbau der Module in einem gewissen Rahmen frei gewählt werden. Das ZKW-Matrix-LED-System lässt sich somit leicht an verschiedene Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugklassen anpassen. Damit steht ein System zur Verfügung, das von niederen Baureihen bis hin zu hohen Baureihen in unterschiedlichen Skalierungsstufen zum Einsatz kommen kann und dabei kundenspezifische Gestaltungsspielräume eröffnet.
Im ersten Schritt lag der Fokus bei der Umsetzung dieses Konzepts auf der Realisierung einer segmentierten Fernlichtverteilung, da diese Technologie den meisten Gewinn für den Endkunden bringt [4].Fernlichtverteilung, da diese Technologie den meisten Gewinn für den Endkunden bringt [4].

Technische Anforderungen

Ausgehend von High-End-AFS-Systemen und der Annahme, dass neu entwickelte LED-Systeme trotz deutlich erhöhter Funktionalität zumindest gleichwertig in ihrer lichttechnischen Leistung sein sollen, stellen folgende lichttechnische Größen den Maßstab für neue Systeme und Technologien dar.

Lichtleistung

Der gesamte Lichtstrom der Fahrlichtverteilung soll mehr als 1600 lm betragen, wobei zumindest 800 lm vom Abblendlicht beigesteuert werden. Damit ergibt sich für das Fernlicht ebenfalls eine Lichtstromuntergrenze von 800 lm. Für das Intensitätsmaximum der Lichtverteilung wurde 120 lx als Richtwert angenommen, der mit weltweit geltenden gesetzlichen Rahmenbedingungen möglich ist und weltweite Zulassung erlaubt. Bezüglich der Breite der Lichtverteilung ist es ebenfalls sinnvoll, sich an bestehenden mechanischen LED-Systemen zu orientieren. Hier sind Breiten- von ca. 20° und Höhenwinkel von etwa 5° etabliert.

Segmentierung der Lichtverteilung

Ein wesentlicher Punkt bei der Auslegung von Matrix-Systemen ist die Wahl der Segmentierung. Zum einen ist die Anzahl der Segmente und Pixel ausschlaggebend, zum anderen die Auflösung in der Lichtverteilung, d.h. die kleinstmögliche Schrittweite zwischen den Segmenten. Ist man von mechanischen, schwenkenden Systemen gewohnt, im ADB-Modus (Teilfernlicht) die vertikale Hell-Dunkel-Grenze nahezu stufenlos anpassen zu können, ist das mit diskreten Lichtbereichen nicht mehr möglich. Hier gilt es einen Kompromiss zwischen Auflösung der Segmente, Komplexität der Ansteuerung und Effizienz zu finden. Aus zahlreichen Untersuchungen wurde eine horizontale Auflösung von etwa 1,5° als optimaler Wert für hochwertige Systeme ermittelt [3].

In Bezug auf die Homogenität der Lichtverteilung ergeben sich im Falle von Matrix-Systemen auch neue Herausforderungen. Einerseits ist es notwendig, die Lichtverteilung aus scharf abgegrenzten Segmenten aufzubauen, andererseits sollen diese diskreten Segmente in der Gesamtlichtverteilung nicht mehr erkennbar sein [4].

ZKW-Konzept im Detail

Basierend auf der Anforderung, keine hochdimensionalen LED-Arrays mit hohem Komplexitätsgrad und Kostenaufwand zu verwenden, wurde ein Konzept entwickelt, das unter Einsatz von am Markt befindlichen Lichtquellen im ersten Schritt die Umsetzung einer segmentierten Fernlichtverteilung ermöglicht. Wie bereits erwähnt, wurde im ersten Schritt der Fokus auf die Umsetzung einer horizontal segmentierten Fernlichtverteilung mit möglichst scharfkantigen senkrechten Segmentgrenzen gelegt [5, 6]. Damit wird eine den LED-Linsensystemen ähnliche, ja sogar verbesserte Ausleuchtung erreicht. Ein hohes Intensitätsmaximum, auch direkt neben den ausgeblendeten Bereichen, ist realisierbar.

Durch den in 1,5°-Schritten segmentierten Aufbau der Lichtverteilung lässt sich durch Erhöhung der Intensität bei einem Segment ein Markierungslicht für Objekte mit Gefahrenpotenzial erreichen. Selbst bei voll aktiviertem Fernlicht ist der Markierungseffekt sichtbar und unabhängig von der Fernlichtverteilung.
Gewinnbringend werden die folgenden Funktionen erzielt:

  • Dynamisiertes Fernlicht durch Verlagern des Lichtschwerpunktes ohne mechanische Komponenten rein per Dimmung – sogenanntes Kurvenlicht
  • Blendfreies Fernlicht mit maximaler Ausleuchtung
  • Markierende Objektbeleuchtung – Warnung vor potenziellen Gefahrenobjekten, die vom Kamerasystem detektiert wurden.