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Mehr Licht: Was kommt nach Xenon, LED und Laser?

Assisstenz- Sicherheits- und Komfortsysteme Licht der Zukunft

Kräftiges Halogenlicht war lange Zeit State of the Art, bis Xenon-Licht Einzug hielt. Auch diese Neuerung ist bereits von LED-Scheinwerfern überholt. Welche Neuerung kann das noch toppen?

Als jüngste Innovation hat sich mittlerweile der Laserscheinwerfer auf LED-Basis angekündigt, den Audi entsprechend spektakulär im R18 e-tron Le Mans auf der CES in Las Vegas präsentierte. Das LED-Licht, das sich anschickt, die herkömmliche Glühbirne nun überall im Auto zu verdrängen, bietet viel mehr Möglichkeiten als dies eine Lichtquelle mit Glühwendel vermag. So lassen sich beispielsweise einzelne LED-Segmente gezielt an- und abschalten. Dadurch können entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge aus dem Fernlichtkegel förmlich ausgeschnitten werden.

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Moderner Scheinwerfer mit Matrix-LED im Audi Q7

Bei Audi nennt man diese Technik Matrix-Licht. Für 2000 Euro Aufpreis kann man dieses Feature ordern. Audi forscht und entwickelt intensiv an den verschiedensten Technologien rund um das Licht der Zukunft. Der Hersteller aus Ingolstadt versteht sich selbst als Marke mit prägender Lichtgestaltung und verbindet damit die Begriffe Ästhetik, Dynamik und Interaktion. Kürzlich wurde in Ingolstadt ein Lichtassistenzzentrum (LAZ) eingeweiht, das als Zukunftslabor dient. Grund genug für ams professional, sich die aktuellen Entwicklungen und Forschungen von Audi auf dem Lichtsektor näher anzusehen.

Matrix-Licht

Die Audi-Matrix-LED-Technologie teilt das LED-Fernlicht in 25 kleine Fernlicht-Leuchtdioden auf, die mit fünf vorgeschalteten Linsen oder Reflektoren zusammenwirken. Von einem schnellen Steuergerät gemanagt, werden sie je nach Situation einzeln zu- und abgeschaltet beziehungsweise gedimmt. Dadurch liefern sie stets eine hochpräzise Ausleuchtung und maximal mögliche Lichtausbeute, ohne dazu eine Schwenkmechanik zu benötigen.

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Filigrane Komponenten eines Matrix-LED-Scheinwerfer

Wenn der Lichtschalter auf "Automatik" steht und das Fernlicht eingeschaltet ist, wird das System außerorts ab 30 km/h Geschwindigkeit, innerorts ab 60 km/h aktiv. Sobald die Kamera Fahrzeuge erfasst, blenden die LED-Scheinwerfer das Fernlicht in den notwendigen Teilbereichen aus. Das System arbeitet so präzise, dass entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge ausgeblendet, alle anderen Bereiche dazwischen und daneben jedoch weiterhin voll vom Fernlicht erhellt werden.

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Der Matrix-LED-Scheinwerfer kann einzelne Segmente an- und ausschalten

Ermöglicht wird dies auch durch Vernetzung der Scheinwerfer mit den Navigationsdaten (GPS). Für den Fahrer ist dies eine Entlastung, da er stets mit Fernlicht unterwegs sein kann, denn das System erkennt selbst, wann es sich an- oder abschalten beziehungsweise verändern muss. Zusätzlich ist die Funktion eines Markierungslichts möglich. Hier kooperiert das Fernlicht mit dem Nachtsichtassistenten und markiert erkannte Fußgänger. Befindet sich eine Person oder Hindernis im kritischen Bereich vor dem Auto, blinken einzelne LED diese dreimal kurz an. Der Fußgänger wird so deutlich aus seinem Umfeld herausgehoben und gewarnt, gleichzeitig natürlich auch der Fahrer.

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Der Aufbau eines Q7-Matrix-LED-Scheinwerfers mit 30 steuerbaren LED

Die Leuchtdioden der Audi-Matrix-LED-Scheinwerfer lassen sich aber auch für die Funktion des Kurvenlichts nutzen. Dann verschieben sie einfach den Schwerpunkt des Lichts in Richtung des Kurvenverlaufs. Mithilfe der vorhersagbaren Streckendaten aus der Fahrzeugnavigation können sie dies bereits kurz vor dem Lenkradeinschlag tun.
Audi arbeitet momentan mit 25 einzelnen Segmenten, die sich beim Matrix-Licht an- und ausschalten lassen. Auch andere Hersteller bieten solche elektrisch gesteuerten LED-Scheinwerfer an. Mercedes hat bei seiner Multi-Beam-Technologie im CLS aktuell 24 LED verbaut, die sich intelligent steuern lassen, und möchte bald 84 und später 1024 davon im Scheinwerfer unterbringen.

Laserlicht auf dem Vormarsch

Die LED-Technologie bietet technische Vorteile, ist aber auch ökologisch sinnvoll, da sie auch vergleichsweise energiesparend ist. Wenn das LED-Licht aber so vorteilhaft ist, warum braucht es dann noch einen Laserscheinwerfer? Für Audi und BMW, die sich bei dieser Technik ein Rennen liefern, ist dies klar: Ein Laserscheinwerfer erreicht mit seinem Spot die doppelte Reichweite eines LED-Beams, nämlich rund 600 Meter. Der Gesetzgeber hat die Reichweite übrigens auf 650 Meter begrenzt. Erstmals vorgestellt wurde der Laserscheinwerfer im Automobil bei BMW im i8 und bei Audi im R8 LMX.

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Äußerlich ist vom Laserscheinwerfer nur eine Linse zu erkennen.

Eines vorweg: Nach roten oder grünen Laserstrahlen wie in "Star Wars" wird man vergeblich suchen. In Wirklichkeit tritt nämlich gar kein Laserstrahl aus und kann somit auch nicht für die Augen des Menschen gefährlich werden. Vielmehr emittieren die vier Laserdioden ein Licht mit 450 Nanometer Wellenlänge. Der Laserspot hat ein Licht mit einem bläulichen Schimmer. Es wird auf eine Phosphorscheibe gelenkt, dort aufgefächert und in weißes Licht umgewandelt.

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Ein Laserstrahl wird durch das Phosphorelement und durch viele Spiegel aufgefächert, auf die Straße gelangt weißes Licht

Beim R8 wurde das Licht danach auf steuerbare Spiegel (englisch: Digital Micromirror Device, siehe Info DMD unten) gelenkt.
Die DMD-Technik kennt man vom Prinzip her auch von den DLP Videoprojektoren ("Beamern"). Von außen sieht man nur die Projektionslinse, sie bildet die Pupille des Scheinwerfers. Unter ihr liegen in einer filigranen Leichtbaustruktur fünf weitere Kunststofflinsen, die das Licht nochmals erweitern. Der Laser selber liegt getrennt vom Scheinwerfer im Motorraum und speist alle Linsen über separate Glasfaserbündel. Insgesamt erzeugen vier winzige Laserdioden in jedem Scheinwerfer einen Fernlichtkegel, der sechshundert Meter weit leuchte

Weitere Laserplanungen

Für künftige Laserscheinwerfer arbeitet Audi inzwischen auch an einer anderen Lösung. Statt vieler steuerbarer Spiegel soll dann nur noch ein sehr schnell beweglicher Mikrospiegel zum Einsatz kommen, der den Laserstrahl umlenkt.

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Künftig soll im Laserscheinwerfer mit nur einem steuerbaren Spiegel gearbeitet werden

Bei geringen Geschwindigkeiten ist das Licht auf eine größere Fläche verteilt und die Fahrbahn sehr breit ausgeleuchtet. Bei hohen Geschwindigkeiten ist der Öffnungswinkel kleiner und die Intensität sowie die Reichweite des Lichts deutlich erhöht. Das ist insbesondere bei Autobahnfahrten von Vorteil. Zudem kann das Licht gezielt verteilt werden. Das heißt, dass durch die Steuerung der Aufenthaltszeiten in bestimmten Ausleuchtbereichen die Helligkeit variabel ist. Neu ist auch das intelligente und blitzschnelle Ein- und Ausschalten der Laserdioden in Abhängigkeit der Spiegelposition.

Lichtdesign im Innenraum

Audi will Lichtfunktionen in die Dekorelemente so integrieren, dass sie den Fahrer vor Gefahren warnen oder ihm wichtige Signale beim pilotierten Fahren vermitteln. Wie weit die neuen Informations- und Sicherheitsfunktionen künftig reichen können, zeigt ein Interieurmodell.

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Mitteltunnel, Türen, Instrumententafel und Lenkrad sind mit LED hinterleuchtet und warnen bei Bedarf

Das Eichenschichtholz, das an der Konsole des Mitteltunnels, in den Türen und an der Instrumententafel als Dekoreinlage dient, ist von LED hinterleuchtet. Beim Aussteigen oder beim Einparken dient das Licht als Warnung. Wenn der Fahrer etwa das pilotierte Fahren aktiviert und das Auto autonom im Stau fährt, leuchten Teile des Lenkradkranzes grün auf. Sobald er wieder selbst das Steuer übernehmen muss, wechselt die Beleuchtung auf die Farbe Rot.
Sowohl hier als auch bei den sogenannten Marker Lights – extrem schmalen Lichtleitern, die den Konturen an der Instrumententafel, in den Türen und an der Mitteltunnelkonsole folgen – stehen je 32 Farben zur Wahl. Die Marker Lights arbeiten intelligent mit dem Assistenzsystem "Ausstiegswarnung" zusammen.

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Sogenannte Marker Lights arbeiten eng mit den Fahrerassistensystemen zusammen

Wenn entweder der Fahrer oder ein Beifahrer eine Tür öffnen wollen, obwohl sich von hinten ein Fahrrad oder Fahrzeug nähert, flammt der Lichtleiter in Signalrot auf und pulsiert in kurzen Intervallen.

Vernetztes Licht: die Car-to-X-Kommunikation

Die Car-to-X-Kommunikation, also die Vernetzung der Fahrzeuge untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur, bietet auch bei der Beleuchtung große Potenziale. Autos sollen danach ihre Daten miteinander austauschen, und könnten so die Leuchtkraft ihrer Scheinwerfer hochpräzise aufeinander abstimmen. In der Folge könnten sie gemeinsam eine Straße hell ausleuchten oder an Kreuzungen und im Begegnungsverkehr Blendung vermeiden. Während eines Stopps an einer roten Ampel oder im Stau könnten die Scheinwerfer gedimmt werden. Das Licht passt sich somit den bestehenden Verhältnissen an und kommuniziert sowohl mit dem Fahrer des Autos als auch mit seiner Umwelt.

OLED – das Außenlicht der Zukunft

Eine weitere Technik rückt neben diesen vielen Neuerungen bei Audi und auch bei BMW immer mehr in den Vordergrund – die OLED-Technologie. Momentan arbeiten die Premiumhersteller daran, organische Leuchtdioden (OLED, auf Englisch: organic light emitting diodes) sinnvoll in das Auto zu integrieren. Audi verwendet unter anderem das Modell einer Rückleuchteneinheit, in der mehrere OLED-Flächen aufrecht hintereinander stehen. Je nach Blickwinkel sehen die Flächen gerade oder wellenförmig aus.

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Rückleuchten in OLED-Technologie

Das Problem, mit dem die Techniker nach wie vor zu kämpfen haben, ist die Anfälligkeit für Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Temperaturschwankungen. Das Material verträgt derzeit nur maximal 80 °C, deshalb bedürfen OLED-Leuchten eines umfangreichen Thermomanagements.
Bei lichtaktiven Material der OLEDs handelt es sich um einen organischen Stoff. Das Material wird im pastösen Ausgangszustand bei der Herstellung sehr dünn, im Bereich von Mikrometern, auf ein ein mm dickes hochpoliertes Displayglas aufgetragen. Stromlos ist die OLED ein Spiegel. Legt man eine elektrische Spannung an, geben die Moleküle, die in der Paste eingeschlossen sind, Photonen ab, die Fläche leuchtet auf. Je nach Verteilung der Spannung geschieht dies entweder homogen, mit gezielten Hell-Dunkel-Effekten oder sogar mit dynamischer Bewegung.
Da die OLED so dünn und auch im Prinzip formbar sind, bieten sie den Designern ein ungeahntes Potenzial zur Beleuchtung des Autos. Neben den normalen Leuchten ist eine Illuminierung des Innenraums, der Türen oder der Heckklappen denkbar. Das Außenlicht-Design in OLED-Technologie, das Audi für den Serieneinsatz vorbereitet, soll ebenso intelligent wie attraktiv sein. Vorstellbar ist etwa ein Szenario, bei dem das Licht auf den Fahrer reagiert, wenn er auf sein Auto zugeht:

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OLED bieten den Designern ein ungeahntes Potenzial für die Beleuchtung des Autos

Es bewegt sich mit ihm und zeigt ihm dabei wichtige Fahrzeugkonturen oder den Türgriff an. Wenn der Fahrer einsteigt, folgt ihm das Licht – indem im Innenraum eine dezente OLED-Beleuchtung aktiv wird. Die OLED begrüßen den Fahrer quasi außen im Vorbeigehen.

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Designmodell OLED hinten

Die Vision des Audi Lichtdesigners Cesar Muntada für das Jahr 2030 "ist ein Licht, das in Bewegung ist und ständig mit dem Kunden interagiert – von dem Moment an, in dem er auf das Auto zugeht".

Zukunftsszenarien

Die Zukunftsszenarien der Audi-Lichtdesigner reichen aber noch weiter in die Zukunft und klingen teilweise wie Science Fiction. So wird beim Schwarmlicht das ganze Heck zur Lichtfläche.

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Das sogenannte Schwarmlicht erscheint ständig in Bewegung

Und auch wie bei einem Heuschrecken- oder Vogelschwarm sind Lichtpixel ständig innerhalb der Rückleuchteneinheit in Bewegung, was äußerst faszinierend und sehr dynamisch aussieht.

Noch futuristischer mutet aber die Idee an, die Scheinwerfer völlig vom Auto zu entkoppeln und diese in einer Leuchtdrohne über dem Auto schweben zu lassen! Die Drohne beleuchtet das Fahrzeugvorfeld und "erkundet" vorausfliegend bereits den Parkplatz vor dem nächstgelegenen Restaurant. Dies dürfte technisch sogar machbar sein, aber wohl niemals Anklang beim Gesetzgeber finden.

Die Technologien für die Beleuchtung des Autos haben sich in den letzten Jahren in atemberaubendem Tempo weiterentwickelt. Durch innovative Beleuchtung mit steuerbaren LED und Lasern gewinnen die Verkehrsteilnehmer zunehmend an Sicherheit. Durch LED- und Laserlicht und nicht zuletzt auch durch das OLED-Licht wird die Beleuchtung insgesamt auch dynamischer, interaktiver und kommunikativer werden.

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