Lichttechnik
Neue Beleuchtungskonzepte mit Laserlicht
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Steigerung des Wirkungsgrads um 30 Prozent
So strahlend – im Wortsinn – die Aussichten für die Zukunft des Laserlichts auch sind, der Weg bis zum ersten praktischen Einsatz war lang. Bereits 2006 begann Osram mit der Entwicklung von Laserdioden entsprechender Eignung. Diese ersten Prototypen basieren auf Indium-Gallium-Nitrid-Verbindungen. Als das Thema Laserlicht für den Automobilbereich aktuell wurde, führte der Lichthersteller zwei bislang singulär vertretene Technologien zusammen, den Laser und den Konverter. Mit letzterem ist der anfangs beschriebene Leuchtstoff gemeint, der aus dem Laserstrahl erst das Nutzlicht erzeugt. Auf beiden Gebieten verfügt Osram über langjährige Erfahrung. Im Regensburger Werk werden seit 1996 InGaN-basierte Leuchtdioden gefertigt. Die bei den blauen LED erworbenen Kenntnisse kamen auch maßgeblich der Entwicklung des blauen Lasers zugute.
Eine besondere Herausforderung war die Steigerung des Wirkungsgrads für blaues Licht. Aus physikalischen Gründen setzen Laserdioden für rotes und infrarotes Licht die eingesetzte Energie besser um, als es am anderen Ende des Lichtspektrums – im blauen Bereich – möglich ist. Deshalb erzeugen Laserdioden für blaues Licht mehr Verlustwärme, die durch geeignete Kühlmaßnahmen abgeführt werden muss. Osram konnte 2013 den Wirkungsgrad für blaue Laserdioden im Wattbereich auf 30 Prozent steigern und den Kühlungsbedarf damit mindern.
Anpassung an raue Umgebungsbedingungen im Auto
Sehr viel Aufwand war für die Anpassung der Laserdioden an das automobile Umfeld nötig. Die Anforderungen des Betriebs und der Fahrzeughersteller sind hoch. So müssen Scheinwerfer und damit die Laserdioden in einen Temperaturbereich von –40 bis +80 °C arbeiten. Hohe Feuchtigkeit darf ebenfalls kein Problem darstellen. Sehr aufwendig sind auch die Tests, mit denen die Laserdioden und das gesamte Lichtmodul ihre Beständigkeit gegen starke Vibrationen beweisen müssen. Solche Belastungen sind aus der Konsumelektronik unbekannt. Dort ist ein deutlich niedrigerer Temperaturbereich üblich.
Bei der Erfüllung der Vorgaben kam Osram die Erfahrung zugute, die das Unternehmen im Automobilbereich mit anderen Licht-Produkten wie der Xenon- oder auch Halbleiter-Lichttechnologie bereits gesammelt hat. Zwar wurden Laserdioden auch schon für Anwendungen wie die Entfernungsmessung in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt. Diese haben allerdings eine weitaus geringere Leistung und arbeiten im infraroten Spektrum. Eine Laserdiode der für das Laserlicht erforderlichen Leistungsklasse war zuvor noch nie im Auto und seinen – im Verhältnis extremen – Umweltbedingungen eingesetzt worden, sondern nur beispielsweise in der Projektionstechnik.
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Kasten: So unterscheiden sich LEDs und Laser |
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LEDs und Laserdioden sind beides Halbleiterlichtquellen und daher auch miteinander verwandt. Die Art der Lichterzeugung ist ähnlich, aber das Ergebnis unterscheidet sich beträchtlich. Eine Leuchtdiode strahlt ihr Licht genau genommen in einem Winkel ab. Zwar ist sie ein Halbstrahler, der praktisch nur in eine Richtung leuchtet, was gegenüber Glüh- und Gasentladungslampen von Vorteil ist. Doch das Lichtbündel wird mit Abstand von der Quelle immer größer. Vereinfacht gesehen entspricht die Abstrahlcharakteristik einem Kegel, dessen Spitze die LED berührt. Anders ist es bei einem Laser und damit auch einer Laserdiode. Hier tritt das erzeugte Licht aus einer extrem kleinen Fläche mit einer vergleichsweise geringen Divergenz aus. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass sich das Laserlicht optisch sehr gut weiterverarbeiten und kollimieren (parallel richten) lässt. Mit Laserstrahlung kann man somit extrem kleine und sehr intensive Lichtpunkte erzeugen. Diese Eigenschaften bleiben bei geeigneter Konverterauslegung auch beim konvertierten Laserlicht erhalten, und man nutzt diese Eigenschaft, um Weißlichtquellen mit einer sehr hohen Leuchtdichte zu realisieren. |
Unbürokratische Hilfe für schnelle Zulassung
Neben den technologischen Herausforderungen sind für den Serieneinsatz des Laserlichts auch solche für die Sicherheit und Zulassung zu bewältigen. Mehrere spezielle Sicherheitssysteme wurden installiert, um zu gewährleisten, dass beim ordnungsgemäßen Betrieb kein Laserlicht aus dem Scheinwerfer nach außen dringen und beispielsweise das menschliche Auge schädigen kann. Die Systeme sind so konstruiert, dass etwa bei einer Beschädigung des Scheinwerfers – z.B. bei einem Unfall – der Laser sofort abgeschaltet wird.
Hinzu kommt: Kaum etwas am Auto ist so stark reglementiert wie das Licht. Eine neue Technologie hat naturgemäß noch keine Zulassung, und das reguläre Verfahren durch die Economic Commission for Europe (ECE) kann einige Jahre dauern. Doch die Organisation fand einen unbürokratischen Weg: Sie erlaubte die Anwendung einer Regel, die vor Jahren für „entfernt angeordnete Lichtquellen“ geschaffen worden ist. Damit waren Kombinationen von Lichtleitern gemeint, die zusammen mit Halogenlampen eine an anderer Stelle sitzende Leuchteinheit mit Licht versorgen. Und das passte auch gut auf das Laserlicht. Die Eigenschaften des Scheinwerfers selbst müssen natürlich zu den bestehenden ECE-Regelungen passen. Insofern gelten die Höchstwerte von 200.000 Candela für das Fernlicht. Höhere Blendwerte als bei anderen Scheinwerfern sind also nicht zu befürchten. Das Laserlicht soll ja die Sicherheit erhöhen und nicht andere Verkehrsteilnehmer gefährden.
Der Autor
| Ralf Hying |
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| hat an der RWTH Aachen Elektrotechnik studiert. Der Di¬plomingenieur war zunächst mehrere Jahre bei Siemens Mobile tätig, bevor er im Jahr 2005 zu Osram wechselte. Dort übernahm er als Projektmanager die Entwicklung der Elektronik für Projektionsapplikationen und leitete von 2008 bis 2011 die Elektronikentwicklung für den Bereich Specialty Lighting. Seit 2011 ist er als Programm-Manager für den gesamten Bereich der Laser-Applikationen verantwortlich. |
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