Mehr Sicherheit und Komfort Mikrolinsen-Array-Technik für projizierte Beleuchtung

Fahrzeugbeleuchtung beim automatisierten Fahren erfordert neue Funktionsprinzipien wie das Mikrolinsen-Array.
Fahrzeugbeleuchtung beim automatisierten Fahren erfordert neue Funktionsprinzipien wie das Mikrolinsen-Array.

Tests für Halbleiterbauteile in der Automobilindustrie sind nötig, um Produktkomponenten bereits vor der Modulfertigung zu prüfen. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Doch nicht alle Prüfmethoden werden auch allen Ansprüchen gerecht.

Heutige Funktionen der Fahrzeugbeleuchtung sind einfach und unkompliziert: Die Straße bei Nacht beleuchten, das Fahrzeug für andere sichtbar machen und bei Bedarf den Innenraum erhellen. Doch der Weg zum automatisierten Fahren erfordert neue Funktionsprinzipien der Beleuchtung wie das Mikrolinsen-Array oder projizierte Beleuchtungssysteme.

Mit dem Aufkommen von Hochleistungs-LEDs wurden einige frühe Versuche unternommen, die Fahrzeugbeleuchtung zum Markenzeichen zu machen, zum Beispiel durch das Animieren der Blinkerleuchten und durch das Erstellen individueller Konturen für die Tagfahrleuchten. In den meisten Fällen bleibt die Funktion – Beleuchtung – jedoch dieselbe wie vorher.

Eine neue Technologie ermöglicht es den Automobilherstellern aber nun, Beleuchtungssysteme für das Auto zu entwickeln, die nicht nur leuchten, sondern auch kommunizieren. Diese von ams produzierte Technologie mit Mikrolinsen-Array (MLA) bietet die Möglichkeit, ein detailliertes, scharfes Bild oder Muster vor dem Fahrzeug auf die Fahrbahnoberfläche zu projizieren. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen optischen Projektor hat das Array einen geringen Platzbedarf und eine geringe Einbautiefe. Es lässt sich daher problemlos in der Karosserie eines Autos unterbringen, ohne dass sein mechanisches Design Probleme bereitet.

Die Implementierung der MLA-Technologie in neue Fahrzeug-Designs eröffnet Automobilherstellern daher ein beispielloses Potenzial zur Verbesserung von Sicherheit, Komfort, Aussehen, »Persönlichkeit« und Funktion der Fahrzeugbeleuchtung. Den größten Einfluss hat diese Technologie wahrscheinlich auf die Scheinwerfer, weil durch die Verwendung der Mikrolinsenprojektion eine enorme Verbesserung der Lichtqualität und der Lichtführung erreicht wird. Es gibt jedoch viele andere Einsatzmöglichkeiten für die projizierte Beleuchtung im Auto – und zweifellos auch einige, die noch zu entdecken sind.

Miniatur-Linsenanordnung für die Lichtprojektion

Bei der heutigen Fahrzeugbeleuchtung wird der Lichtstrahl in der Regel mit Hilfe einer mindestens mehrere Jahrzehnte alten optischen Technik geformt. In einem Scheinwerfer zum Beispiel wird die Lichtsteuerung meist durch eine Kombination aus einem großen Reflektor und einer in die Abdeckung des Scheinwerfers eingebetteten Linse erreicht. Die Physik der Lichtprojektion erfordert einen langen Mindestabstand zwischen Lichtquelle und Linse. Das bedeutet, dass die gesamte Scheinwerfereinheit ein großes Volumen hat und eine beträchtliche Oberfläche in der Karosserie des Fahrzeugs einnimmt (Bild 1).

Der Einsatz der MLA-Technologie markiert einen abrupten Bruch mit den traditionellen Ansätzen der Automobilbeleuchtung: Sie ermöglicht es erstmals, einen eng fokussierten Strahl oder sogar ein Bild mithilfe einer Baugruppe auf die Straßenoberfläche zu projizieren, die nur wenigen Millimeter Tiefe und Höhe aufweist. Aufgrund der geringen Abmessungen eines MLA-basierten Systems kann die projizierte Beleuchtung erstmals in fast jeden Teil der Karosserie eingebaut werden (Bild 2).

Bilder: 3

Miniatur-Linsenanordnung für die Lichtprojektion, Bilder 1-3

Miniatur-Linsenanordnung für die Lichtprojektion, Bilder 1-3

Bereits jetzt setzen die Autohersteller verschiedene Anwendungen um:

  • Die Wegbeleuchtung, die unter den Türschwellen projiziert wird, kann ein für das Modell oder die Marke charakteristisches Muster zeigen, sobald das Fahrzeug die Nähe des elektronischen Schlüssels erkennt. Das ist eine Komfortfunktion, die den Einstiegsbereich um das Fahrzeug erhellt. Sie vermittelt dem Fahrzeug aber auch ein Gefühl von Persönlichkeit – die Lichter begrüßen den Fahrer, wenn er im Dunkeln zum Auto zurückkehrt. Ein spezielles Muster, das auf den Boden projiziert wird, kann auch zu einer Signatur der jeweiligen Automarke werden.
  • Blinker, die von den Außenspiegeln auf die Straße projiziert werden, geben Fußgängern, Radfahrern und anderen Verkehrsteilnehmern einen gut sichtbaren Hinweis auf die Absicht des Fahrers und erhöhen so die Verkehrssicherheit.
  • Innenbeleuchtung, integriert in den Dachhimmel oder in die Fußräume, erhöht wie die Wegbeleuchtung den Komfort für Fahrer und Fahrgäste, bietet aber auch die Möglichkeit, ein optisches Ambiente zu schaffen, das eindeutig zur Automarke gehört.

Mit der MLA-Technologie eröffnen sich für die Gestaltung des Scheinwerfers neue Möglichkeiten. Ein Vorteil liegt in der Miniaturisierung: Von ams unterstützte Entwicklungsprojekte der Scheinwerferhersteller haben gezeigt, dass es möglich ist, normgerechte Scheinwerfer mit einem schmalen Schlitzprofil zu realisieren (Bild 3). Die Technologie bietet zudem eine erhebliche Verbesserung der Lichtqualität, Gleichmäßigkeit und Regulierung, sowohl im Vergleich zu herkömmlichen Scheinwerfern als auch LED-Matrix-Scheinwerfern. Die Anwendung der projizierten Beleuchtung bei Scheinwerfern bietet folgende Vorteile:

  • Nahezu keine Blendgefahr für entgegenkommende Fahrzeuge
  • Deutlich überlegene Leistung bei Regen und Nebel, wodurch die Menge des von Wassertröpfchen reflektierten Lichts in die Augen des Fahrers stark reduziert wird
  • Dynamisch adaptiver Strahl, der das Licht genau dorthin lenkt, wo es auf der Fahrbahn benötigt wird, um dem Fahrer die bestmögliche Ausleuchtung zu bieten.
  • Die Fähigkeit, kontextrelevante Informationen, wie Warnschilder, vor dem Fahrer auf die Straße zu projizieren

Die MLA-Technologie eröffnet daher neue Möglichkeiten, das Design der Fahrzeugbeleuchtung zu überdenken. Ein projiziertes Beleuchtungssystem auf MLA-Basis verdankt seine kompakte Größe und überlegene optische Leistung der besonderen Konstruktion des optischen Pfads in einem MLA-Modul.

Aufbau eines projizierten Beleuchtungssystems

Eine MLA-basierte projizierte Beleuchtungseinheit besteht aus einer oder mehreren LED-Lichtquellen, Kollimatoren und dem Mikrolinsen-Array selbst. Das Array ist ein kundenspezifisches Modul: Ein typisches MLA misst 11,4 mm x 10,7 mm x 3,0 mm (Bild 4).

Das Array besteht aus einem präzise gefertigter Satz von Miniaturlinsen oder Mikrolinsen. Die MLA-Technologie profitiert von denselben Kosten- und Qualitätsvorteilen, die Silizium-Chips bieten, weil das Linsen-Array durch übliche Prozesse in der Halbleiterindustrie hergestellt wird.

Die Herstellung im Nanomaßstab bedeutet auch, dass die Mikrolinsen präzise geformt und positioniert werden können, sodass sie ein einzelnes scharf fokussiertes Bild in einer bestimmten Entfernung vom Projektor auf eine Oberfläche projizieren.

Die Oberfläche kann flach, gekrümmt oder frei geformt sein sowie senkrecht oder geneigt zum Projektor stehen. Durch die Projektion eines Bildes mit einer Reihe von Mikrolinsen lässt sich die Brennweite zwischen Lichtquelle und Linse erheblich reduzieren. Dadurch entsteht ein Projektor mit kleineren Abmessungen als ein herkömmlicher Projektor mit einer einzelnen Linse (Bild 5).