In den USA begannen die Automobilhersteller in den 1950er Jahren, also fast 70 Jahre vor dem ersten DLP-Pixellicht, in der Fahrzeugfront zwei Sealed-Beam-Scheinwerfer zu verbauen, woraus schließlich Fahrzeuge mit der Umschaltmöglichkeit zwischen Abblend- und Fernlicht entstanden.

Bild 1: Adaptives Fernlicht DLP-Pixellicht erkennt entgegenkommende Fahrzeuge und reduziert in diesen Sektoren die Lichtintensität stark, um Blendungen zu vermeiden.

Bild 1: Adaptives Fernlicht erkennt entgegenkommende Fahrzeuge und reduziert in diesen Sektoren die Lichtintensität stark, um Blendungen zu vermeiden. Texas Instruments

Aktuell halten mehr und mehr komplexere Scheinwerfersysteme Einzug in die Autos, wobei LED-Leuchtmittel zunehmend die traditionellen Halogen- und Xenon-Scheinwerfer ablösen. LEDs werden kurzfristig die Xenon-Scheinwerfer komplett verdrängen und langfristig auch die Halogen-Scheinwerfer ersetzen, wenn die Automobilhersteller von statischen Glühlampen auf dynamische wie auch ästhetisch ansprechende LED-Beleuchtung umsteigen.

Blendung und schlechte Sicht bei Nacht

Wie die US-amerikanische „National Highway Traffic Safety Administration“ (NHTSA) meldet, geschahen in den USA im Jahr 2015 ungefähr 30 Prozent aller Verkehrsunfälle bei Nacht. IHS Markit gab außerdem bekannt, dass 50 Prozent aller Unfälle in den USA auf Sehschwächen zurückzuführen sind. Infolge der immer älter werdenden Bevölkerung dürfte dieser Anteil steigen.

Eckdaten

Neue Scheinwerfersysteme mit DLP-Technologie (digital light processing) leuchten das Blickfeld vor dem Fahrzeug inteligent aus. Adaptives Fernlicht kann unterschiedliche Objekte erkennen und deren Bereich im Lichtkegel partiell abdunkeln oder erhellen. Der DLP-Chipsatz DLP5531-Q1 von TI steuert Millionen kleiner Mikrospiegel (DMD) und ermöglicht damit neuartige Scheinwerfersysteme, die sehr effizient, präzise steuerbar und skalierbar sind. DLP-Lichtsysteme sind zudem in der Lage, Fahrbahnmarkierungen oder Navigationshinweise auf die Fahrbahn zu projizieren.

Nach Angaben der Technischen Universität Darmstadt kommt es bei älteren Fahrern tendenziell zu verschiedenen Arten von Beeinträchtigungen des Sehvermögens. Neben reduzierter Sehschärfe sind hier eine altersbedingte Pupillenverkleinerung und eine langsamere Anpassung an die Dunkelheit anzuführen. Menschen im Alter zwischen 60 und 65 brauchen ungefähr das Doppelte an Helligkeit und Kontrast und verkraften nur die halbe Blendungsbelastung, um etwa das gleiche Sehvermögen wie 25-jährige Personen zu erzielen.

Ungeachtet der Tatsache, dass Blendung durch Fernlicht ablenken oder sogar kurzzeitige Blindheit verursachen kann, war es in der Vergangenheit stets den Autofahrern überlassen, eine solche Blendung zu vermeiden. Hierfür stand ihnen lediglich ein Schalter zur Verfügung, um zwischen Abblend- und Fernlicht zu wechseln. Die Folge ist, dass Autofahrer bei nächtlichen Fahrten die meiste Zeit den Finger am Abblendschalter haben, um zwischen Fernlicht (wenn sie allein auf der Straße sind) und Abblendlicht (wenn sich andere Fahrzeuge im Sichtfeld befinden) umzuschalten. Wäre es als Autofahrer nicht sinnvoll für bessere Sichtverhältnisse das Fernlicht ständig eingeschaltet zu lassen?

Den Lichtkegel modellieren und Informationen projizieren

Als Kombination aus Fahrassistenzsystemen (ADAS) und Außenbeleuchtung kann adaptives Fernlicht den Lichtkegel partiell abdunkeln, um Gegenverkehr an diesen Stellen nicht zu blenden.

Texas Instruments (TI) hat dieses Konzept weiterentwickelt und eröffnet mit Digital Light Processing (DLP) neue Möglichkeiten in der Fahrzeuglichttechnik. Ein DLP-Chipsatz kann das Frontlicht eines Autos sehr detailliert steuern. Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer sind damit in der Lage bis zu einer Million Pixel je Scheinwerfer individuell anzusteuern. Mithilfe dieser Technik können Scheinwerfer nicht nur selektive Bereiche ausblenden, in denen andere Autofahrer oder Fußgänger geblendet würden, sondern auch Informationen auf die Straße projizieren, wie etwa Fahrspurbegrenzungen oder Leithinweise.

Bild 2: Ein adaptives Fernlichtsystem mit DLP-Technik verbessert auch die Sichtbarkeit von Verkehrszeichen.

Bild 2: Ein adaptives Fernlichtsystem mit DLP-Technik verbessert auch die Sichtbarkeit von Verkehrszeichen. Texas Instruments

CMOS-Speicherzellen bewegen Mikrospiegel

Das zentrale Element eines DLP-Chipsatzes ist ein Array aus Aluminium-Mikrospiegeln, welches die Bezeichnung Digital Micromirror Device (DMD) trägt. Je nach Konfiguration enthalten DMDs Hunderte, Tausende oder sogar Millionen einzeln steuerbarer Mikrospiegel, wobei sich unter jedem Mikrospiegel eine CMOS-Speicherzelle befindet. Zu jedem Spiegel gehört eine flexible mechanische Stützstruktur, mit der sich der Spiegel über zwei Adresselektroden aufhängen lässt. Diese Elektroden sind mit der Speicherzelle verbunden und erzeugen komplementäre elektrostatische Kräfte, um den Spiegel in eine von zwei möglichen statischen Positionen zu bringen.

Integriert in ein optisches System, fungiert das DMD als ein symmetrisches, bistabiles optomechanisches Element, bei dem die Position der einzelnen Spiegel darüber bestimmt, in welche Richtung das auftreffende Licht reflektiert wird. Die hohe Betriebsfrequenz und die geringe Pixelgröße eines DMD erlaubt eine schnelle Modulation und kurze Systemlatenzen, was den Automobilherstellern eine präzisere Kontrolle des auf die Straße geworfenen Lichts ermöglicht und dem Autofahrer eine bessere Sicht verschafft.

DLP-Pixellicht

DLP-basierte Systeme eignen sich für Lichtquellen jeglicher Art, also für LEDs, Laser-Phosphor-Lösungen und direkte Laser-Leuchtmittel, die sich für einen geringeren Stromverbrauch und die Verwendung kleinerer, ansprechender gestalteter Linsen auslegen lassen als bestehende adaptive Fernlichtlösungen. Die DLP-Technik ist nicht nur effizient und skalierbar, sondern erlaubt auch eine präzise Kontrolle der Scheinwerferlichtkegel, um bei schlechten Lichtverhältnissen die Sichtweite und die Sichtverhältnisse zu verbessern.

Verschiedene blendfreie Scheinwerferlösungen dimmen entweder einzelne LEDs ab oder verschieben den Lichtkegel nach unten oder zur Seite. Einige Lösungen schalten selbstständig zwischen Abblend- und Fernlicht um und wieder andere schwenken mit, wenn das Fahrzeug in eine Kurve fährt. Im Prinzip basieren also alle diese Systeme darauf, dass sie das Licht ihrer Scheinwerfer abschalten oder blockieren, um entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge nicht zu blenden. LED-Matrixscheinwerfern reduzieren die Blendung in der Regel durch Abschaltung einiger LEDs.

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