Die LED-Matrix-Lite-Module werden entweder zwei-, drei-, vier- oder sechsfach verbaut.

Die LED-Matrix-Lite-Module werden entweder zwei-, drei-, vier- oder sechsfach verbaut.Zizala Lichtsysteme

Dynamische Lichtfunktionen wie das Kurvenlicht benötigten bisher entsprechende Lichtquellen und eine automatische Steuerung durch geeignete elektromechanische und optische Systeme. Adaptive und Kurven-Lichtverteilungen, wie sie bei Xenon-Systemen zum Einsatz kommen, sind mittlerweile in vielen Mittel- und Oberklasse-Fahrzeugen zu finden.

Bisher wurde die Lichtverteilung nur mechanisch geschwenkt und der Hell-Dunkel-Übergang des Abblendlichtes an die Fahrsituation angepasst.

LED-Scheinwerfer mit vier Modulen.

LED-Scheinwerfer mit vier Modulen.Zizala Lichtsysteme

Mit dem Matrix-lite-Konzept ist es möglich, sowohl Abblend- als auch Fernlicht an vorausfahrende und entgegenkommende Fahrzeuge sowie andere Verkehrsteilnehmer gezielt anzupassen. High-Power-LEDs ermöglichen solche Funktionen ohne den Einsatz beweglicher Teile. Bisher wurden mehrere solcher Konzepte als „LED Matrix Licht“ oder „Pixel Light“ vorgestellt.

LED-Matrix-Licht

Matrix-Systeme für LED-Hauptscheinwerfer vereinfachen drastisch die Scheinwerferarchitektur und werden zukünftig auch für die Mittelklasse und sogar Kleinwagen attraktiv sein.

Das modulare LED-Matrix-lite bietet aus einem standardisierten Baukasten Lösungen für diese Anforderungen, um so Anpassungen in punkto Lichtperformance, Segmentanzahl, Winkelauflösung und Scheinwerfer-Design zu erzielen.

Das neuartige Matrix-LED-System von ZKW unterscheidet sich wesentlich von bisher vorgestellten Konzepten. Es bietet deutliche Vorteile in Hinblick auf Styling, Funktionalität und Skalierbarkeit und kommt mit handelsüblichen LED-Leuchtmitteln aus. Basis ist ein modularer Ansatz, bei dem mehrere Projektionsmodule zu einem Gesamtsystem kombiniert werden. Anzahl und Aufbau der Module bestimmen die Funktionen sowie die Leistung des Systems, das sich so an verschiedene Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugklassen anpassen lässt.

Technische Anforderungen: Licht-Performance

Erster Schritt in der Umsetzung des Konzepts war eine segmentierte Fernlichtverteilung. Das neu entwickelte LED-System sollte eine deutlich höhere Funktionalität als bisherige High-End-AFS (Adaptive Fernlicht-Systeme) und eine zumindest gleichwertige Licht-Performance aufweisen. Ziel war eine Fahrlichtverteilung mit mehr als 1600 Lumen Lichtstrom, mindestens je 800 lm bei Abblend- und Fernlicht, maximal 120 Lux Intensität sowie zirka 20 ° Breite und 5 ° Höhe der Lichtverteilung.

Segmentierung der Lichtverteilung

Bild 1: Modul 1.

Bild 1: Modul 1.Zizala Lichtsysteme

Bei Matrix-Systemen ist die Segmentierung grundlegend und damit die Anzahl der Segmente/Pixel sowie die Auflösung in der Lichtverteilung als Schrittweite zwischen den Segmenten. Bei HID-AFS-Xenon-Systemen kann man im Teilfernlicht-Modus die vertikale Hell-Dunkel-Grenze nahezu stufenlos anpassen. Beim Matrix-System gilt es einen Kompromiss zwischen Auflösung der Segmente, Komplexität der Ansteuerung und Effizienz zu finden. Dazu wurde eine horizontale Auflösung von etwa 1,5 ° als optimal ermittelt. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Lichtverteilung aus scharf abgegrenzten Segmenten aufzubauen und zugleich eine homogene Gesamtlichtverteilung zu erzielen.

Das Matrix-lite-Konzept

Bild 2: Modul 2.

Bild 2: Modul 2.Zizala Lichtsysteme

Basis des Matrix-lite-Konzepts sind marktübliche LED-Lichtquellen. Im ersten Entwicklungsschritt hatten die Entwickler eine horizontal segmentierte Fernlichtverteilung mit möglichst scharfkantigen senkrechten Segmentgrenzen angepeilt, um eine den HID-Linsensystemen ähnliche Ausleuchtung mit hoher Intensität zu erreichen. Durch die mit 1,5 ° segmentierte Lichtverteilung lässt sich über eine Intensitätsteigerung bei nur einem Segment ein Markierungslicht für Objekte mit Gefahrenpotenzial erreichen.

Bild 3: Modul 3.

Bild 3: Modul 3.Zizala Lichtsysteme

Selbst bei voll aktiviertem Fernlicht ist dieser Markierungseffekt sichtbar. Das nutzbare Ergebnis ist ein dynamisiertes, blendfreies Fernlicht, das nur durch Dimmen, also ganz ohne mechanische Komponenten, eine maximale Ausleuchtung erzielt. Das System warnt durch eine markierende Objektbeleuchtung auch vor potenziellen Gefahrenobjekten, die das Kamerasystem detektiert hat.

LED und LED-Bestückung

Bild 4: Modul 4.

Bild 4: Modul 4.Zizala Lichtsysteme

Ausreichend leuchtstarke LEDs begrenzen den kleinstmöglichen Abstand zweier Segmente auf einige Millimeter. Standard-LEDs lassen sich daher nicht zu einer homogen leuchtenden Fläche verbinden. Die Lichtverteilung des Matrix-lite-Projektionsmoduls ist gezielt durch Lücken unterbrochen, und die LED-Chips sind mit deutlich größerem Abstand auf der Platine positioniert, um so eine industrielle Umsetzung zu erreichen. Der Abstand zwischen den LED-Chips verringert die Wärmebelastung der LEDs, während der Kühlungsaufwand sinkt und die Performance sowie die Lebensdauer der LEDs steigen.

Bild 5: Kombination der Module 1 und 3.

Bild 5: Kombination der Module 1 und 3.Zizala Lichtsysteme

Matrix-lite-Lichttechnik (Segmentierung, Performance)

Die gesamte Lichtverteilung ergibt sich durch Überlagerung von Lichtanteilen der Matrix-lite-Module. Das erste Matrix-Modul (Bild 1) liefert mehrere Lichtsegmente mit dazwischen liegenden gleich großen „Segment-Lücken“. Diese Lücken schließt ein weiteres gleichartiges Modul (Bild 2), das um eine Segmentbreite versetzt ist. So erreicht man trotz relativ großer LED-Abmessungen Segmentgrößen mit wenigen Grad lateraler Breite.

Bild 6: Kombination der Module 2 und 4.

Bild 6: Kombination der Module 2 und 4.Zizala Lichtsysteme

Um die Auflösung des Systems weiter zu erhöhen und toleranzbedingte Ungenauigkeiten auszugleichen, ergänzen zwei weitere Einheiten (Bilder 3 und 4) die Matrix-lite-Elemente. Diese zusätzlichen Module sind um eine halbe Segmentbreite versetzt angeordnet (Bilder 5 bis 7). Das halbiert die laterale Auflösung und verbessert die Homogenität der gesamten Lichtverteilung.

Primär- und Sekundäroptiken

Bild 7: Die Module (1+3) sowie (2+4) kombiniert.

Bild 7: Die Module (1+3) sowie (2+4) kombiniert.Zizala Lichtsysteme

Das Matrix-lite-Konzept verwendet Primär- und Sekundäroptiken (Bild 8). Die Primäroptiken erzeugen die scharf begrenzten vertikalen Segmente mit definierter Lichtverteilung, die mittels Projektionslinsen (Sekundäroptik) abgebildet werden. So können Linsen mit kurzer Brennweite zum Einsatz kommen, was wiederum sehr kleine Modulabmessungen mit hohem Wirkungsgrad zur Folge hat.

Spezielle Mikrostrukturen auf den Linsenoberflächen sorgen für weiche Hell-Dunkel-Linien, um die Homogenität der gesamten Lichtverteilung sowie die chromatische Aberration zu verbessern. Die Module sind prinzipiell gleich aufgebaut; das ergibt geringe Komplexität und hohe Funktionalität.

Bild 8: Modulaufbau mit Linsen.

Bild 8: Modulaufbau mit Linsen.Zizala Lichtsysteme

Wie in anderen Systemen auch wird beim Matrix-lite aus einem Scheinwerfer jeweils nur eine Hälfte der Lichtverteilung generiert (Bilder 9 und 10) und die Überlappung im Zentrum (Bild 11) auf ein Minimum reduziert.

Je nach Primäroptiken und Maßstab der Projektionslinsen lässt sich die Segmentbreite variieren und eine optimale Ausleuchtung des Verkehrsumfeldes ohne Blendungsgefahr erzielen (Bild 12). Mit der 1,5 ° breiten Segmentierung erreicht man einen nahe an die anderen Verkehrsteilnehmer angepassten Schattenbereich bei maximaler restlicher Ausleuchtung.

Bild 10: Lichtverteilung des rechten Scheinwerfers.

Bild 10: Lichtverteilung des rechten Scheinwerfers.Zizala Lichtsysteme

Bild 9: Lichtverteilung des linken Scheinwerfers.

Bild 9: Lichtverteilung des linken Scheinwerfers.Zizala Lichtsysteme

Auch ein gleichzeitiges Ausblenden von mehreren Hindernissen ist möglich. Entgegenkommende Fahrzeuge nehmen die dynamischen Schaltprozesse nicht wahr.

Styling, Funktionalität und Skalierbarkeit

Bild 11: Lichtverteilung der beiden Scheinwerfer in Summe.

Bild 11: Lichtverteilung der beiden Scheinwerfer in Summe.Zizala Lichtsysteme

LED-Hauptscheinwerfer müssen nicht nur Styling-Anforderungen erfüllen, um eindeutig Technologie und Marke zu vertreten, sondern auch technologisch hochwertige Funktionalitäten bieten und an unterschiedliche Baureihen anpassbar sein. Matrix-Systeme vereinfachen drastisch die Scheinwerferarchitektur und werden zukünftig auch für die Mittelklasse und sogar Kleinwagen attraktiv sein. Ebenso wird reiner Abblendlichtbetrieb außerstädtisch kaum noch zur Anwendung kommen. Durch das dynamische Fernlicht besteht die Möglichkeit, auf ein mechanisches Schwenken des Abblendlichtes in Kurven zu verzichten.

Bild 12: Lichtverteilung bei Ausblendung eines Segments.

Bild 12: Lichtverteilung bei Ausblendung eines Segments. Zizala Lichtsysteme

Bei Stadtfahrzeugen ist das Fernlicht weniger wichtig, aber ein dynamisches Abblendlicht kann zu mehr Sicherheit beitragen. Das modulare LED-Matrix-lite bietet Lösungen für diese Anforderungen aus einem standardisierten Baukasten. Dabei werden die Module entweder zwei-, drei-, vier- oder sechsfach verbaut (siehe Schwarzweißbilder) und Lichtperformance, Segmentanzahl, Winkelauflösung sowie Design des Scheinwerfers einfach angepasst.