Mehr als nur Scheinwerfer:
Photonik für die Automobilindustrie

Neue Chancen für den Automobilmarkt

Die Bedeutung der Photonik für die Automobilindustrie hat sich grundlegend verändert: War sie früher in erster Linie auf nüchterne Beleuchtungsfunktionen beschränkt, hat sie sich zu einer Spitzentechnologie entwickelt, die u. a. bei intelligenten Anzeigen, in der Mensch-Fahrzeug-Kommunikation sowie in der sicherheitsrelevanten Sensorik und Bildgebung zum Einsatz kommt.

Damit hat sie neue Dimensionen erreicht, die weit über die reine Beleuchtung hinaus­gehen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Automobilindustrie ein verstärktes Interesse an photonischen Technologien zeigt. Enorme Wachstumschancen beflügeln den Photonik­markt, der jährlich um etwa 5 % wächst. Für den automobilen Photonik­markt wird ein größerer Anstieg erwartet.

Wir verwirklichen Ihre Ideen und schaffen technologische Innovationen

Das Fraunhofer IOF setzt Grundlagenforschung in anwendbare Lösungen um. Das Institut bietet Ihnen die komplette Photonik-Prozesskette – von Systemdesign und Simulation über Realisierung kundenspezifischer Lösungen bis zur Systemintegration. Damit befähigen wir unsere Kunden, die nächste Generation von Innovationen voranzutreiben – und das in der vollen Breite der photonischen Anwendungen: im Auto ebenso wie in der Automobiltechnik und in der Produktion.

Profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der automobilen Photonik. Die folgenden Anwendungsbeispiele geben Ihnen eine Vorstellung davon, wie wir gemeinsam Lösungen entwickeln und zukünftige Projekte individuell auf Ihre Bedürfnisse abstimmen können.

Alle vorgestellten Technologien dieser Seite finden Sie auch in unserer Broschüre: Photonik im Automobilbereich - Optische Komponenten und Systeme.

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Links, rechts, geradeaus: Um Unfälle im Straßenverkehr zu vermeiden, ist die vorausschauende Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmenden entscheidend. Die Wissenschaft tüftelt immer wieder an neuen Ideen, wie diese Kommunikation effizienter gestaltet werden kann. Hier kann etwa die Projektion von Informationen auf die Straße neben dem Fahrzeug eine Lösung sein. Zu diesem Zweck sind helle, kostengünstige und miniaturisierte Projektoren erforderlich, die eine limitierte Anzahl an Bildinhalten erzeugen können.

Miniaturisierte Projektionssysteme

Das Fraunhofer IOF hat eine miniaturisierte mikro-optische Array-Projektions-Technologie entwickelt. Sie ermöglicht die Projektion eines scharfen und unverzerrten Bildes auf geneigten und gekrümmten Oberflächen sowie Bildschirme. Dabei kann eine Helligkeit von bis zu 3.000 Lux erzeugt werden.Die Weiterentwicklung dieser Technologie hat Displays hervorgebracht, die auch bei vollem Tageslicht gut zu erkennen sind. Derlei Systeme können zum Beispiel als Warnanzeige in der Kommunikation mit Radfahrenden zum Einsatz kommen.

Eine andere Anwendung erhöht den Komfort am Fahrzeug: Dabei wird eine animierte Grafik unterhalb der hinteren Stoßstange des Autos erzeugt. Durch eine Fußbewegung über diese Grafik hinweg kann der Kofferraum berührungslos geöffnet oder geschlossen werden.

Die Projektion von Logos über eine Signaturbeleuchtung ist ein weiteres raffiniertes Feature, das insbesondere zur Markenidentifikation genutzt werden kann. Diese Technologie kann in bestehende Beleuchtungssysteme, z. B. in Rückleuchten, integriert werden.

Erfahrung im Bereich Automotive

Verschiedene Automobilhersteller haben dieses Feature bereits in ihre High-End-Fahrzeuge integriert. Der »Welcome Light Carpet« in aktuellen BMW-Modellen ist ein Beispiel hierfür.

Weiterführende Informationen

Pressemitteilung zum BMW »Welcome Light Carpet«

Mikrooptiken für LED-Strahlformung

Array-Projektor-Technologien

Projektionssysteme

Eine optimale Ausleuchtung der Straße ist bei Nachfahrten das A und O. Dabei wollen wir als Fahrender selbst möglichst viel von unserer Umgebung erkennen, ohne jedoch andere Fahrzeuge durch zu helles Licht vom Verkehr abzulenken. Adaptive Fernlichtsysteme können hier eine Lösung sein. Sie passen das Fernlicht automatisch so an, dass weder der entgegenkommende noch der vorausfahrende Verkehr geblendet wird, während die Sicht für Fahrerin oder Fahrer gleichzeitig optimal bleibt. Aktuelle Systeme verwenden zu diesem Zweck oft bewegliche Lampen oder Mikrodisplays. Beide Lösungen sind empfindlich und anfällig für Schäden. Innovative Mikrooptiken in Kombination mit LED-Arrays, die einzeln steuerbare LEDs enthalten, bieten alternative Lösungen, die überdies kosten- und energiesparend sind und somit einen kleineren ökologischen Fußabdruck als konventionelle Anwendungen hinterlassen.

Projektionssysteme mit ansteuerbaren Segmenten

Das Fraunhofer IOF hat ein segmentiertes Fernlicht entwickelt, das auf jener Technologie basiert, die auch bei unserer Array-Projektion zum Einsatz kommt (siehe Außenbeleuchtung). 800.000 Mikrolinsen bündeln und formen hier das Licht und leuchten die Fahrbahn optimal aus.

Die horizontal gewinkelte Anordnung der Module zueinander ermöglicht das sofortige Schalten horizontaler Segmente von nur 1.5° Breite mit einer den ECE-Regeln entsprechenden Lichtstärke von > 50 kcd. Form und Anordnung lassen sich leicht an unterschiedliche Scheinwerferlayouts anpassen. Ein effizientes, miniaturisiertes mikrooptisches Abblendlicht ergänzt das segmentierte Fernlicht.

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Projektionssysteme

Mikro- und nanostrukturierte Optik

Licht spielt auf der Straße bekanntlich nicht nur vor dem Fahrzeug eine entscheidende Rolle, sondern auch dahinter. Sei es als Warnsignal für den nachfolgenden Verkehr oder als Wiedererkennungselement beim Markenbranding. Die LED-Rücklichter erlauben dabei durch den Einsatz von Tailored Light Diffusors (TLD) eine Optimierung der Lichtverteilung und -anordnung. Diese Technologie erlaubt eine effiziente Lichtverteilung im gewünschten Winkel im Fernfeld.

Indem TLD auf Begrenzungsaperturen verzichtet, wird die Umsetzung einer vordefinierten Fernfeldverteilungen mit sehr hoher Effizienz möglich. Die herausragenden Eigenschaften dieser Elemente resultieren aus einzigartigen optischen Designmethoden, die auch eine lokale Variation des Ablenkwinkels ermöglichen.

Wiedererkennbare LED- Hintergrundbeleuchtung durch Designfreiheit

Bei dieser Methode ist die Anordnung der LEDs frei und nahezu unbegrenzt. Das äußere Erscheinungsbild kann damit individuell angepasst und somit z. B. für ein wiederkennbares Markenbranding genutzt werden.

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Maßgeschneiderte Diffusoren

Mikro- und nanostrukturierte Optik

Autos sind häufig keine Massenware mehr, sondern spiegeln zunehmend die Individualität des Fahrenden wider. Sowohl der Fahrzeugaußen- wie auch -innenraum mitsamt all den technischen Komponenten sind längst zum Mittel des persönlichen Ausdrucks geworden. Der Wunsch, auch Produkte aus der Massenfertigung individuell anpassen oder gestalten zu können, ist daher groß.

Individualisierung in der Massenproduktion

Im Leitprojekt »Go Beyond 4.0« arbeiten derzeit mehrere Fraunhofer-Institute zusammen, um Spitzen­technologien für individualisierte Produkte und Komponenten in der Massen­produktion zu entwickeln. Den beteiligten Fraunhofer-Instituten ist es gelungen, mit digitalen Druck- und Laserverfahren z. B. Leiterbahnen, Sensorik und Hightech-Beleuchtungs­module individuell herzustellen und sie gleichzeitig in Bauteile aus Massen­produktion zu integrieren. Das Ergebnis ist die Individualisierung von Bauteilen in Massen­produktions­umgebungen mit neuen Möglichkeiten für Design, Material­ersparnis und Gewichts­reduktion.

Durch eine individualisierte Beleuchtung eröffnen sich neue Wege für das Design sowie die Realisierung von Automobil­teilen im Allgemeinen und von Beleuchtungs­konzepten und -anordnungen im Besonderen. Im Rahmen des laufenden Projekts haben wir den Prototyp einer intelligenten Tür mit neuartigen beleuchteten Interaktions­elementen für die Fahrzeug-Fahrer-Kommunikation und individuelle LED-Beleuchtungs­optiken mit integrierter Funktionalität demonstriert. Außerdem ist es Fraunhofer-Forschenden gelungen, Leiterbahnen mit Hilfe von Druck- und Laserverfahren direkt auf Karosserieteile zu applizieren. Das so hergestellte, komplexe Bauteil ist leichter. Darüber hinaus entfällt der spätere, manuelle Einbau eines Kabelbaums.

Weiterführende Informationen

Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0«

3D-Druck-Technologien

Drucken funktionaler Materialien

Beschichtungen erzeugen maßgeschneiderte Oberflächen für verschiedene Anwendungen. Aus diesem Grund sind funktionale Beschichtungen und Oberflächen wesentliche Bestandteile optischer Systeme. Das Fraunhofer IOF entwickelt Oberflächenfunktionalisierung sowie multifunktionale optische Schichtsysteme auf verschiedensten Materialien – darunter Kunststoff, Glas, Keramik und Metall. Weiterhin haben Forschende des Instituts diese Technologien erfolgreich in die Produktion und Großserienfertigung übertragen.

Wir verfügen über umfangreiche Kompetenzen und Technologien im Design sowie in der Simulation von optischen Schichtsystemen, in der Entwicklung von Beschichtungsverfahren und in der Charakterisierung von Oberflächen und Schichten.

Funktionale Schichten im Automobilbereich

Unser Spektrum umfasst

• kratzfeste Antireflexionsschichten auf Kunststoffen,
• selbstreinigende (hydrophobe) Oberflächen,
• Anti-Beschlag-Beschichtungen (hydrophil),
• Anti-Eis-Beschichtungen,
• verlustarme Oberflächen (Optik/Lichtstreuung),
• alle Arten von antireflektierenden oder hochreflektierenden Optiken,
• optische Filter,
• transparente und leitfähige Beschichtungen,
• Benetzungsbeschichtungen von Öl/Stahl-Systemen,
• und vieles mehr.

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Funktionelle Oberflächen und Schichten

Viele industrielle Produktionsanlagen fordern zur Qualitätssicherung eine hundertprozentige Kontrolle der hergestellten Waren. Um dies bei hohen Produktionsraten zu gewährleisten, sind Messtechniken für eine effiziente Produktion unerlässlich.

Maßgeschneiderte optische 3D-Messsysteme

Wir entwickeln kundenspezifische, vollautomatische, berührungslose, optische 3D-(inline)-Inspektionssysteme. Diese Systeme können Flächen von wenigen Quadratmillimetern bis zu mehreren Quadratmetern mit Raten im Millisekundenbereich messen.

Zum Einsatz kommen speziell entwickelte optische Systeme und parallelisierte 3D-Algorithmen auf Basis von Multiprozessorsystemen. Die vollflächige Messung kann lokale Verformungen und Defekte gleichzeitig erkennen und interpretieren. Die 3D-Messgenauigkeit liegt im Bereich von 10^-4 der Messfelddiagonale.

Kompetenz im Automobilbereich

Wir haben bereits Systeme in die Qualitätskontrolle von gegossenen Motorblöcken, großen Industriekatalysatoren und mehr integriert. Die resultierenden Daten sind mit gängigen CAD-Systemen kompatibel.

Weiterführende Informationen

In-line 3D-Vermessung

Mobiler Roboterassistent »3D-Kosyma« für Defektmessungen

3D-Messverfahren

Die optische 3D-Messtechnik ist ein vielseitiges Werkzeug, das in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt wird. Insbesondere hochdynamische Prozesse wie das Entfalten eines Airbags erfordern Hochgeschwindigkeitstechnologien, um diese bewegten Objekte dreidimensional zu betrachten und zu untersuchen.

Hohe Auflösung bei hoher Geschwindigkeit

Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskamerasystemen in Verbindung mit Gobo-Projektion und parallelisierter Datenverarbeitung haben Forschende am Fraunhofer IOF Projektions-, Aufnahme- und Auswertungstechnologien mit Bildraten von mehreren Kilohertz entwickelt. Damit können wir 3D-Messraten von 1.500 3D-Bildern/Sekunde mit jeweils 1 Mio. 3D-Bildpunkten realisieren. Unter Nutzung von High-Speed-Kamerasystemen in Verbindung mit Gobo-Projektion konnten bereits 50.000 3D-Bilder/Sekunde mit jeweils 250.000 3D-Bildpunkten realisiert werden.

Kompetenz im Automobilbereich

Diese innovative Technologie haben wir bereits unseren Kunden weitergegeben. Eines dieser Systeme kann den Crashtest eines kompletten Autos aufnehmen; ein anderes System wurde optimiert, um einen Crashtest aus dem Inneren des Autos aufzunehmen – das System übersteht dabei sogar die starke negative Beschleunigung während des Aufpralls.

Weiterführende Informationen

Hochgeschwindigkeits-3D-Vermessung einer Airbag-Entfaltung (mit Video)

High-Speed 3D-Messtechniken

3D-Messverfahren

Imaging and Sensing

Müde oder abgelenkt hinterm Steuer? Der Fahreraufmerksamkeitsassistent weist Fahrerinnen und Fahrer auf ein potenziell gefährliches Verhalten im Straßenverkehr hin. Dies tut er, indem er das Fahrverhalten kontinuierlich überwacht und auf diese Weise Abweichungen beobachtet. Sobald der Assistent mangelnde Konzentration feststellt oder eine gefährliche Situation erkennt, warnt das intelligente System den Fahrerenden.

Kameras für die Innenraumüberwachung

Das Fraunhofer IOF entwickelt ultradünne Kameras, die sich einfach und nahezu unsichtbar in den Innenraum eines Autos integrieren lassen. Das Überprüfen des Fahrerverhaltens und das Erkennen von unaufmerksamem Fahren sind ebenso möglich wie das Erfassen von beifahrenden Personen (inkl. Kindern) im Auto.

Funktionalität auf kleinstem Raum

Das Konzept der Multiaperturabbildungssysteme sorgt für dünnere Objektive, die sich besser in ultraflache Module integrieren lassen. Das Kameramodul – mit einem Objektiv – hat eine Gesamtdicke von 2 bis 10 mm und bietet Weitwinkelaufnahmen mit einer Auflösung von CIV bis zu 8 Megapixeln.

Unsere Optiklösungen setzen auf parallelisierte Prozesse zur Erzeugung mikrooptischer Komponenten, die sich von der konventionellen Linsenfertigung unterscheiden. Bei der Prozessparallelisierung werden Wafer anstelle von Einzelstücken bearbeitet, was eine hohe Zuverlässigkeit und eine kostengünstige Produktion ermöglicht.

Weiterführende Informationen

Multi-Apertur-Kamera-Optik auf Wafer-Ebene (ultradünne Kamera)

LIDAR (Light Detection and Ranging) Lasersysteme werden bereits für Anwendungen in der aktiven Geschwindigkeitsregulierung, der Kollisionsvermeidung und dem Fahren bei schlechtem Wetter eingesetzt. In zukünftigen Anwendungen fungiert LIDAR als Auge selbstfahrender Fahrzeuge, wobei das System ihnen eine 360-Grad-Sicht ermöglicht. Für autonome Fahrzeuge werden LIDAR-Systeme daher kontinuierlich an Bedeutung gewinnen.

Anforderungen für den Einsatz im Automobilbereich

Laser müssen bestimmte Anforderungen im Automobilbereich erfüllen. Zum Beispiel müssen sie drastische Temperaturwechsel sowie harte Einsatzbedingungen aushalten können. Außerdem müssen sie robust gegen Beschleunigung, Vibration, harte Strahlung, das Vakuum und vieles mehr sein.

Bereit für den Einsatz auf der Straße

Mit unseren hochentwickelten faserlaserbasierten LIDAR-Systemen, die für die 3D-Entfernungserfassung und Windsensorik ausgerüstet sind, haben unsere Prototypen diese Anforderungen bereits erfüllt. Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit eröffnen diese Technologien ein breites Spektrum an neuen Anwendungen.

Faserlaser sind langzeitstabil, energieeffizient und robust.

Weiterführende Informationen

LIDAR-Faserlaser

Faserlaser

Head-up-Displays (HUDs) sind Bildschirme oder Projektoren, die es ermöglichen, zusätzliche Informationen im Sichtfeld des Fahrenden darzustellen, so dass dessen Augen auf der Straße bleiben können. Ziel aktueller Entwicklungen ist es, HUDs dahingehend weiter auszubauen, dass sie Informationen auf die gesamte Windschutzscheibe projizieren und mit Augmented Reality kombinieren können.

Maßgeschneiderte Systeme

Diese Vision erfordert speziell entwickelte und angepasste Optiken. Das Fraunhofer IOF verfügt über umfassendes Know-how in diesem Bereich und kann kunden- oder anwendungsspezifische optische Systeme und Komponenten für HUDs entwerfen.

Dazu gehören z. B. Optikdesign, Strahlteiler, Filter/Beschichtungen, DOE (diffraktive optische Elemente) Kombinatoren, Punktlichtquellen, Streu-/Falschlichtanalyse, Optimierung, sowie komplette Systeme. Der Einsatz von »maßgeschneiderten Diffusoren« als Zwischenbildebenen mit überlagerten Linsen oder Ablenkfunktionalität tragen zu kompakten (HUD) Aufbauten mit exzellenter Lichthomogenität bei.

Weiterführende Informationen

Projektionssysteme

Nachtsichtkameras können Leben retten und sind daher bereits häufig in höherpreisigen Autos enthalten. Typischerweise bestehen sie aus mehreren optischen Elementen, die wiederum einen großen Justageaufwand erfordern.

Kompakte Freiformen für Nachtsichtkameras

Das Fraunhofer IOF verfügt über die Kompetenz, miniaturisierte und robuste monolithische optische Elemente mit Freiformtechnologien zu realisieren. So können komplexe Kombinationen aus klassischen Linsen und Spiegeln ersetzt werden. Wir besitzen langjährige Erfahrung in der anspruchsvollen Herstellung von kompakten Freiformen mit beispielsweise vier optischen Flächen auf einem Substrat (Feldwinkel 60° x 40°, erweiterte Bandbreite) und sind in den Bereichen Systemdesign, Freiformoptik-Fertigung und Systemintegration über die gesamte Prozesskette tätig.

Unsere ultrapräzisen Fertigungstechnologien reduzieren erheblich die Fertigungskosten und den Aufwand für die Werkzeuganpassung bei unseren Kunden.

Weiterführende Informationen

Optisches und mechanisches Systemdesign

Opto-mechatronische Komponenten und Systeme

Komponenten und Systeme in der Automobilindustrie müssen häufig hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten. Aufgrund dieser rauen Umgebungsbedingungen erfordert die Photonik hier neuartige Ansätze für Verbindungstechnik und Systemintegration.

Montage opto-mechatronischer Systeme

Das Fraunhofer IOF verfügt über vielfältige Kompetenzen in der Montage makroskopischer und miniaturisierter, hybrid integrierter opto-mechatronischer Systeme.

Unser Fokus liegt auf Justagestrategien und -geräten für die Mikrometer- und sogar Submikrometerjustage von beispielsweise laseroptischen und LED-basierten Systemen, sowie auf Verbindungstechnologien wie Kleben und laserbasiertem Löten zur stabilen Fixierung komplexer Justagezustände. Das Design, die Bewertung und die Optimierung von Montageprozessen bis hin zur Sechs-Sigma-Reproduzierbarkeit sowie der Technologietransfer auf Anlagen und Prozesse beim Kunden gehören zu unseren Kernkompetenzen.

Aspekte der automatisierten Montage für Low-, Mid- und High-Volume-Produktion können durch die Auswahl kommerzieller und kundenspezifischer Montageanlagen abgedeckt werden.

Weiterführende Informationen

Systemintegration

Mikromontage auf Aufbautechnologien für mikrooptische Systeme

Opto-mechatronische Komponenten und Systeme