Optische Technologien für Automobile

Mikrooptik für Automobil-Scheinwerfer: Viereckige Polymerlinsen ermöglichen eine präzisere Lichtmodellierung.

Automotive Technologien am Fraunhofer IOF

Mikrooptik für automotive LED-Scheinwerfer

Abb. 1: Segmentiertes, automotives LED-Fernlicht realisiert als mikrooptischer, irregulärer Wabenkondensor.
© Fraunhofer IOF
Abb. 1: Segmentiertes, automotives LED-Fernlicht realisiert als mikrooptischer, irregulärer Wabenkondensor.
Abb. 2: Das ausgeschaltete Segment vermeidet die Blendung des Gegenverkehrs.
© Fraunhofer IOF
Abb. 2: Das ausgeschaltete Segment vermeidet die Blendung des Gegenverkehrs.
Abb. 3: Mikrolinsenarrays für das Abblendlicht (links) und für ein blendfreies Fernlicht (rechts).
© Fraunhofer IOF
Abb. 3: Mikrolinsenarrays für das Abblendlicht (links) und für ein blendfreies Fernlicht (rechts).

Etablierte Optiktechnologien für Kfz-Scheinwerfer wie Freiformspiegel, Asphären und Lichtleiter stoßen hinsichtlich Miniaturisierung, flexibler Konturgestaltung und Modularisierung an physikalische Grenzen. Das Fraunhofer-intern geförderte Projekt »SSL-StructuredSpotLight« untersucht den Einsatz von Tandem-Mikrolinsen-Arrays als strahlformende Tertiäroptik für automotive LED-Lichtquellen. Die Mikrooptik erlaubt eine starke Verringerung der optischen Systemlänge und -fläche.

Tandemlinsen-Arrays als mikrooptische Realisierung des klassischen Wabenkondensors ermöglichen die hocheffiziente, étendue-erhaltende, homogene Ausleuchtung rechteckiger oder hexagonaler Felder. Mit unter den Eingangslenslets vergrabenen Cr-Masken, die im Array als Blenden fungieren, erhält man einen mikrooptischen Mehrkanalprojektor, der auf Kosten der Systemtransmission auch kontinuierliche Helligkeitsverteilungen generiert. Zur effizienten Erzeugung kontinuierlicher Intensitätsverteilungen wurde ein blendenfreier Optikansatz entwickelt, der die Vorteile beider Verfahren vereint: Irreguläre Wabenkondensoren formen automotive Fern- und Abblendlichtverteilungen (Abb. 2). Die schaltbare Segmentierung der Abstrahlung für ein blendfreies Fernlicht erfolgt durch kontrolliertes Kanalübersprechen. Die Elemente einer horizontalen LED-Zeile adressieren dabei entweder den regulären Betrieb des Wabenkondensors oder das Kanalübersprechen unterschiedlicher Ordnung.

Das Mastering der irregulären Linsen-Arrays der Wabenkondensoren erfolgt durch Grautonlithographie. Unregelmäßige Linsen-Arrays mit Pfeilhöhen von über 50 μm und beugungsbegrenzter Profiltreue wurden realisiert. Durch die anschließende Replikation mittels UV-Reaktionsguß erhält man zweiseitige justierte Polymer-auf-Glaselemente. Der Fernlichtdemonstrator (Abb. 1) besteht aus zwei identischen Modulen, die jeweils ein LED-Array, eine Kollimationsoptik bestehend aus Feldlinse und Kollimationsasphäre und das Tandem-Array in einem Metallgehäuse vereinigen. Die horizontal gewinkelte Anordnung der Module zueinander ermöglicht das Schalten horizontaler Segmente von nur 1.5° Breite mit einer den ECE-Regeln entsprechenden Lichtstärke von > 50 kcd. Insgesamt sind ca. 800.000 Mikrooptiken verbaut, die das Licht optimal in Fahrtrichtung bündeln und für gute Sicht auch bei Nacht und Schlechtwetter sorgen.

 

Autoren: Peter Schreiber, Christoph Wächter, Stephanie Fischer, Chen Li, Dirk Michaelis, Robert Leitel, Ralf Rosenberger, Marko Stumpf, Felix Kraze

Arrayprojektor zur Grafikdarstellung auf der Straße

Mikrolinsen-Array entwickelt im Fraunhofer IOF.
© Fraunhofer IOF
Mikrolinsen-Array entwickelt im Fraunhofer IOF.

Die fortschreitende Integration von automatisierten Bedienungsfunktionen und Assistenzsystemen erfordert eine stetige Verbesserung von Statusanzeigen und Bedienerführung. Während im Fahrzeuginnenraum dafür Bedienkonsolen mit Displays zu Verfügung stehen, stellt die Kommunikation mit Personen außerhalb des Autos ein ungelöstes Problem dar.

Detailansicht eines statischen Arrayprojektors zur schaltbaren Projektion zweier Motive.
© Fraunhofer IOF
Detailansicht eines statischen Arrayprojektors zur schaltbaren Projektion zweier Motive.

Ein populärer Ansatz ist die Projektion von Informationen auf die Straße in unmittelbarer Umgebung des Fahrzeugs. Hierfür werden lichtstarke, kostengünstige und effiziente miniaturisierte Projektoren für eine geringe Zahl unterschiedlicher Bildinhalte benötigt.

Der Einsatz herkömmlicher Picoprojektoren mit LED-beleuchteten DLP-Bildgebern scheitert an zu geringem projizierten Flux, zu großem Bauraumbedarf und zu hohen Kosten. Die erstmalig 2015 im BMW 7er eingesetzte Arrayprojektionstechnologie des Fraunhofer IOF ermöglichte die Realisierung stark miniaturisierter Projektoren zur grafisch gestalteten Beleuchtung im Einsteigebereich bei Nacht.

Optikschema zur Projektion schaltbarer Bildinhalte.
© Fraunhofer IOF
Optikschema zur Projektion schaltbarer Bildinhalte.

Durch den Einsatz moderner, monochromer Hochleistungs-LEDs, verbesserter Kollimatoren und weiterentwickelter Mikrolinsenarrays z. B. mit hochbrechenden Polymerlenslets konnte die Helligkeit der Projektion soweit gesteigert werden, dass auch unter Tageslichtbedingungen hinreichende Beleuchtungsstärken von über 3000 lux in einem Abstand von 45 cm vom Fahrzeug erreicht werden. Eine weitere Neuerung ist die Darstellung wechselnder Bildinhalte durch die Anordnung mehrerer, individuell schaltbar beleuchteter Arrayprojektoren auf einem gemeinsamen Glassubstrat.

Array-Projektion neben dem Fahrzeug.
© Fraunhofer IOF
Array-Projektion neben dem Fahrzeug.

In einem Projekt mit der Firma Brose Fahrzeugteile GmbH und Co. KG wurden derartige Projektoren zur Realisierung von Warnsignal (für Radfahrer) und Begrüßungsgrafik für automatisch öffnende Autotüren entwickelt. Der Einbauort im Fahrzeugchassis sichert eine von der Öffnung der Tür unbeeinflusste Projektion. Eine zweite Anwendung visualisiert mit einem dreistufigen Lauflicht und einer zweistufig animierten Grafik die Bedienung einer Kofferraumklappe mittels Fußkick