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[en] (orig)
Systematik zur lichttechnischen Gestaltung von
aktiven Scheinwerfern
zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.)
der Fakultät Maschinenbau
der Universität Paderborn
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl.-Ing. Rainer Kauschke
aus Heidenheim / Brenz
Tag des Kolloquiums: 08.09.2006
Referent: Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek
Korreferent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dietrich Gall
I I
NHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung.........................................................................................................2
1.1 Kundenwünsche an die Lichtfunktionen...............................................................2
1.2 Aktive Scheinwerfersysteme.................................................................................3
1.3 Überblick...............................................................................................................4
2 Stand der Technik...........................................................................................5
2.1 EU-Rahmenvorgaben............................................................................................5
2.2 Adaptive Systeme in der Kraftfahrzeuglichttechnik .............................................5
2.3 AFS – Adaptive Frontlighting System – Gesetzgebung .......................................7
2.4 Klassifizierung von aktiven Scheinwerfern ..........................................................7
2.5 Lichttechnische Scheinwerferfunktionen..............................................................8
2.6 Historie der Scheinwerferentwicklung................................................................13
2.7 Lichtquellen.........................................................................................................14
2.8 Scheinwerfertechnologien...................................................................................17
2.8.1 Reflexionstechnik....................................................................................19
2.8.2 Projektionstechnik...................................................................................21
2.8.3 Leuchtweitenregelung .............................................................................23
2.9 Dimensionierung von konventionellen Scheinwerfern .......................................23
2.10 Dimensionierung von nichttraditionellen Optiken für Scheinwerfer..................24
2.10.1 TIR Linse.................................................................................................24
2.10.2 Compound Parabolic Concentrator (CPC) ..............................................25
2.11 Literatur- und Patentanalyse................................................................................25
2.11.1 Variable Scheinwerfersysteme ................................................................25
2.11.2 Kurvenlicht-Scheinwerfer .......................................................................26
2.11.3 Head-up Displays ....................................................................................27
3 Aufgabenstellung und Lösungssystematik................................................28
3.1 Defizite heutiger Lichtverteilungen und Scheinwerfer .......................................28
3.2 Zielstellung an aktive Scheinwerfer....................................................................28
3.3 Zukünftige Scheinwerferlichtfunktionen ............................................................30
3.3.1 Straßensituationsabhängiges Licht AFS+ [HF]......................................30
3.3.2 Verkehrssituationsabhängiges Licht COL [HF]......................................31
3.3.3 Markierendes Licht MKL [HF]...............................................................31
I
NHALTSVERZEICHNIS
II
3.3.4 Fahrerspezifisches Licht DSL [NF].........................................................32
3.3.5 Displaylicht DSY [NF]............................................................................32
3.3.6 Kommunikationsfunktion COM [NF].....................................................32
3.4 Lichttechnische Anforderungen an Scheinwerferlichtverteilungen....................34
3.5 Anforderungsanalyse des Scheinwerferumfeldes / der Sensorik ........................38
3.5.1 Vertikale Scheinwerfereinstellung ..........................................................41
3.5.2 Horizontale Scheinwerfereinstellung ......................................................42
3.6 Anforderungsanalyse des mechatronischen Scheinwerfersystems .....................43
3.7 Funktionsanalyse des aktiven Scheinwerfers......................................................45
3.8 Funktionsstruktur.................................................................................................47
4 Generierung von Scheinwerferkonzepten ..................................................50
4.1 Lösungsgenerierung – Methodik.........................................................................50
4.2 Konzeptideenbeschreibung .................................................................................51
4.3 Bewertung der Scheinwerferkonzepte.................................................................65
4.4 Morphologie der Lösungselemente.....................................................................71
4.5 Kombination der Lösungselemente.....................................................................75
4.6 Konzentration auf 4 Hauptkonzepte (K2-K5) und 1 Nebenkonzept (K7) ..........77
4.6.1 Digitale Projektion K2.............................................................................77
4.6.2 Analoge Projektion K3............................................................................78
4.6.3 Scannender Scheinwerfer K4 ..................................................................79
4.6.4 LCoS-Scheinwerfer K5 ...........................................................................79
4.6.5 Flexprisma K7 .........................................................................................81
4.7 Etendué – Helmholtz-Lagrange’sche Invariante.................................................82
5 Synthese........................................................................................................83
5.1 Projektoren ..........................................................................................................83
5.2 LCoS-Scheinwerfer.............................................................................................83
5.2.1 Funktionssynthese ...................................................................................83
5.2.2 Modularisierung ......................................................................................90
5.2.3 Dimensionierung .....................................................................................91
5.2.4 Konstruktiver Aufbau..............................................................................92
5.2.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit LCoS-Scheinwerfer........................95
5.3 DMD-Scheinwerfer.............................................................................................97
5.3.1 Funktionssynthese ...................................................................................97
III I
NHALTSVERZEICHNIS
5.3.2 Modularisierung ......................................................................................99
5.3.3 Dimensionierung ...................................................................................109
5.3.4 Konstruktiver Aufbau des DMD-Scheinwerfers...................................120
5.3.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit des DMD-Scheinwerfers ..............123
5.4 AMD-Scheinwerfer...........................................................................................125
5.4.1 Funktionssynthese .................................................................................125
5.4.2 Modularisierung ....................................................................................130
5.4.3 Dimensionierung ...................................................................................133
5.4.4 Konstruktiver Aufbau............................................................................139
5.4.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit AMD.............................................144
5.5 Scannender Scheinwerfer..................................................................................148
5.5.1 Funktionssynthese .................................................................................148
5.5.2 Modularisierung ....................................................................................149
5.5.3 Dimensionierung ...................................................................................154
5.5.4 Konstruktiver Aufbau............................................................................164
5.5.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit scannender Scheinwerfer..............168
5.6 Flexprisma.........................................................................................................170
5.6.1 Funktionssynthese .................................................................................170
5.6.2 Modularisierung ....................................................................................177
5.6.3 Dimensionierung ...................................................................................179
5.6.4 Konstruktiver Aufbau............................................................................185
5.6.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit Flexprisma....................................186
5.7 Funktionsanalyse der Hauptkonzepte................................................................189
5.8 Grob-Risikoanalyse der Hauptkonzepte............................................................194
5.9 Bewertung der Hauptkonzepte..........................................................................195
6 Untersuchung der Leistungsfähigkeit der Prototypen ............................199
6.1 Einbindung des Scheinwerfers in das Kfz-Umfeld ...........................................199
6.1.1 Lichtfunktionen und deren Sensorik......................................................199
6.1.2 Sensorik - CAN-Bus-Ansteuerung und dessen Auswertung.................203
6.2 Aufbau eines statischen Lichtverteilungsdemonstrators ...................................203
6.3 Umsetzung der Konzepte ins dynamische Fahrzeugumfeld .............................204
6.4 Gesetze ..............................................................................................................208
6.5 Lichttechnische Analyse der aufgebauten Konzepte.........................................209
6.5.1 Effizienzbetrachtung..............................................................................209
I
NHALTSVERZEICHNIS
IV
6.5.2 Lichtverteilungen...................................................................................217
6.6 Lichtfunktionsanalyse .......................................................................................225
6.7 Vergleich mit Konkurrenztechnologien – Head-up-Display.............................228
6.8 Temperaturuntersuchungen der Konzepte.........................................................229
6.9 Vibrationsanalyse des DMD-Scheinwerferkonzepts.........................................231
6.10 Aufbau und Fertigung der innovativen Optikkonzepte.....................................234
6.11 Gesamtbewertung der aktiven Scheinwerferkonzepte ......................................234
6.12 Bewertung der aktiven Scheinwerfer im Vergleich zu AFS-Scheinwerfern.....236
7 Zusammenfassung und Ausblick..............................................................239
8 Literaturverzeichnis....................................................................................242
8.1 Konstruktionsmethodik .....................................................................................242
8.2 Scheinwerfer......................................................................................................243
8.3 Bewertung von Scheinwerferlichtverteilungen.................................................253
8.4 Sensorumgebung und Displays .........................................................................255
8.5 Sonstige Angaben..............................................................................................256
8.6 Optik und Lichttechnik......................................................................................256
8.7 Promotionsbegleitende Diplom- und Studienarbeiten ......................................258
8.8 Eigene Veröffentlichungen und Schutzrechtsanmeldungen..............................259
8.9 Fremde Schutzrechtsveröffentlichungen...........................................................260
8.10 Glossar...............................................................................................................265
9 Anhang.........................................................................................................270
9.1 Bewertung der Hauptkonzepte im Detail..........................................................270
9.2 Offene technologische und physiologische Fragen...........................................272
1
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INLEITUNG
2
1 Einleitung
Scheinwerfer haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Erscheinungsbild von Kraftfahrzeu-
gen. Sie werden je nach Hersteller für ein unterschiedliches Tag- und Nachtdesign eingesetzt.
Neben den Designanforderungen trägt der Scheinwerfer maßgeblich zur Verkehrssicherheit
von Fahrzeugen bei Nacht, bei Dämmerungssituationen und im Falle des Tagfahrlichtes auch
während Tagfahrten bei. Die Verkehrssicherheit wird durch die zwei Hauptlichtanforderun-
gen an Scheinwerfer bestimmt, die sich mit einer optimalen Ausleuchtungsfunktion des
Verkehrsraumes bei minimaler Blendung anderer Verkehrsteilnehmer und mit einer Signal-
funktion zum besseren Erkennen des eigenen Fahrzeugs gegenseitig ergänzen. Die Lichtan-
forderungen „sehen“ und „gesehen werden“ werden heutzutage mit einer begrenzten Zahl von
Lichtfunktionen nur suboptimal erfüllt.
Ermüdung und schlechte Sichtverhältnisse im nächtlichen Verkehr sind die Hauptursachen für
ein deutlich erhöhtes Unfallrisiko. 50 % der tödlichen Verkehrsunfälle ereignen sich in der
Dämmerung oder bei Nacht, obwohl in dieser Zeit nur 25 % der durchschnittlichen Kilome-
terleistung zurückgelegt werden [Literaturverzeichnis 8.2, PAL 1997, LANGWIEDER].
1.1 Kundenwünsche an die Lichtfunktionen
Die Lichtfunktionen der Scheinwerfer dienen nicht nur zur Erhöhung der Verkehrssicherheit,
sondern sie erhöhen auch den Fahrkomfort. In den heutigen Fahrzeugen werden immer mehr
Fahrerassistenzsysteme (ABS, ESP etc.) eingesetzt, um die Verkehrssicherheit zu erhöhen,
wobei Unfälle vermieden oder wenigstens die Unfallfolgen deutlich reduziert werden sollen.
Die Bevölkerungsstruktur ist in Deutschland und in Europa im Wandel. Der Prozentsatz an
Fahrzeugbesitzern im fortgeschrittenen Alter steigt anteilig in der Bevölkerung. Diese
Fahrzeugführer haben, physiologisch bedingt, eine verminderte Wahrnehmung, und diese
Fahrer legen zunehmend Wert auf weitere Komfortfunktionen im Fahrzeug.
Beiden Bedürfnissen einer erhöhten Verkehrssicherheit und einem erhöhten Fahrkomfort
durch eine bessere Ausleuchtung und damit Wahrnehmung des Verkehrsumfeldes kann durch
aktive Scheinwerfersysteme besser entsprochen werden als mit „konventioneller“ Scheinwer-
ferlichttechnik. Deren Freiheitsgrade und Variationsmöglichkeiten für eine adaptive Lichtver-
teilung sind, technologisch bedingt, begrenzt.
Heutige Scheinwerfersysteme bieten maximal bis zu sechs Lichtverteilungen, die vom Fahrer
manuell gewählt, umgeschaltet bzw. automatisch per Sensorik aktiviert werden: Abblend- und
Fernlicht sowie optional Nebellicht, seit 2003 statisches und dynamisches Kurvenlicht sowie
Tagfahrlicht. In einem nächsten Schritt können adaptive Scheinwerfer (AFS-Scheinwerfer)
Stadtlicht, Autobahnlicht und Schlechtwetterlicht erzeugen. Entsprechende Systeme werden
voraussichtlich 2006 in den Markt eingeführt werden. Mit ihnen wird eine automatische
Anpassung der Lichtverteilung an den Straßenverlauf, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die
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INLEITUNG
3
Witterungsbedingungen realisiert. Fernziel der Entwicklung ist es, die Lichtverteilung im
Verkehrsraum so zu gestalten, dass alle Verkehrsteilnehmer in ihrer Wahrnehmung optimal
unterstützt werden. Die heute im Kraftfahrzeug eingesetzten Scheinwerfersysteme müssen
dazu von ihren heute diskret definierten Lichtverteilungen zu variablen, assistierenden
Lichtverteilungen weiterentwickelt werden.
1.2 Aktive Scheinwerfersysteme
Ausgehend von den Designerfordernissen, den Unfallzahlen und den Kundenwünschen stellt
sich die Frage, wie die bisherige Scheinwerfer-Lichttechnik zur Steigerung von Sicherheit
und Komfort weiterentwickelt werden kann.
Basierend auf dem aktuellen Entwicklungsstand, der rein „passiven“, konventionellen
Scheinwerferlichttechnik, die das Ein- und Ausschalten sowie das Umschalten zwischen
verschiedenen Lichtfunktionen und das Schwenken der Gesamtlichtverteilung zulässt, müssen
Scheinwerfersysteme künftig „aktiv“ mittels Sensorik erkennen, welche Straßen- und
Verkehrssituation vorliegt, um darauf situationsabhängig „aktiv“ mit ihren „adaptiven“
Lichtverteilungen den Straßensituationen angepasst reagieren zu können. Darüber hinaus
bieten zukünftige, „aktive“ Scheinwerfersysteme die Möglichkeit den Fahrer „assistierend“
mit aktiven Lichtfunktionen in seiner Wahrnehmung zu unterstützen, wobei zusätzlich auf
andere Verkehrsteilnehmer reagiert wird.
Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von den bisherigen Scheinwerfertechnologien, neue aktive
Scheinwerfer-Prototypen zu entwickeln und aufzubauen, welche die Funktion haben, aktiv
zukünftige Lichtverteilungen zu erzeugen. Diese Prototypen können dann, je nach technologi-
schem Reifegrad und Technologiebasis als statische und/oder dynamische Aufbauten zum
Rapid Prototyping von Lichtfunktionen verwendet werden. Neben der Definition von
möglichen Lichtfunktionen, –ausprägungen und –parametern bestehender und zukünftiger
Scheinwerferprojekte lassen sich diese aktiven Lichtsysteme mit nur einer Hardware zur rein
softwaretechnisch programmierten und angesteuerten Validierung bestehender und zukünfti-
ger Lichtfunktionen unter statischen und/oder dynamischen Bedingungen einsetzen. Die
neuen Freiheitsgrade in der Lichtverteilungs-Erzeugung übersteigen dabei bei weitem die der
„konventionellen“ Scheinwerferlichttechnik und die von Versuchsträgern mit „konventionel-
ler“ Lichttechnik [8.3, DAHLEM, 2001]. Weitere Prototypen des Pixellight [8.2, ENDERS,
2001] und [8.2, BOERSCH, 1999] sind nach derzeitigem Kenntnisstand weniger leistungsfä-
hig, weisen weniger Lichtfunktionen auf und werden vorteilhafterweise weiterentwickelt. Als
Lichtquellen für diese aktiven Scheinwerfersysteme werden Gasentladungslampen eingesetzt.
Neben dem Einsatz der aktiven Scheinwerfersysteme als Entwicklungswerkzeug können die
aufgebauten Scheinwerferprototypen als Basis für zukünftige Scheinwerfer-Generationen
dienen, die einen sehr hohen Freiheitsgrad in der Erzeugung und Formung von Lichtvertei-
lungen aufweisen. Aktive Scheinwerfersysteme könnten der Beginn einer „Revolution“ in der
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INLEITUNG
4
Scheinwerferlichttechnik sein, an deren Ende die Lichtverteilungen der aktiven Scheinwerfer-
systeme an den OEM und an den Endkunden nur noch per Software angepasst werden.
1.3 Überblick
In Kapitel 2 werden der Stand der Technik bezüglich Adaptivität der Scheinwerferlicht-
funktionen, Lichtquellen, Scheinwerferkonzepte und Technologien in der Literatur sowie die
Patentlage aufgezeigt.
Die Aufgabenstellung, die Anforderungen an die Lichttechnik, an den aktiven Scheinwerfer
und an dessen Umfeld sowie die Funktionsanalyse und die Funktionsstruktur werden in
Kapitel 3 beschrieben.
Anschließend folgt in Kapitel 4 die Generierung von Scheinwerferkonzepten, deren Bewer-
tung und die Auswahl auf vier Hauptkonzepte und ein Nebenkonzept, die im weiteren Verlauf
der Arbeit genauer beschrieben werden sollen.
Kapitel 5 gibt einen detaillierten Einblick in die 4 Hauptkonzepte, LCoS, DMD, AMD und
scannender Scheinwerfer jeweils mit ihrer Funktionssynthese, ihrer Modularisierung, ihrer
Dimensionierung, ihrem konstruktiven Aufbau und ihrer lichttechnischen Bewertung. Ein
Nebenkonzept, das Flexprisma, wird ebenfalls in diesem Kapitel erläutert.
In Kapitel 6 wird die Leistungsfähigkeit der Prototypen untersucht, wobei auf eine lichttech-
nische Validierung, auf Wirkungsgradbetrachtungen sowie auf thermische und Vibrationsun-
tersuchungen kurz eingegangen werden soll. Hierbei wird ein Benchmark zwischen den
Scheinwerferprototypen untereinander und ein Vergleich mit dem Stand der Technik durchge-
führt.
Eine Zusammenfassung und ein Ausblick in Kapitel 7 runden die Arbeit ab.
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2 Stand der Technik
2.1 EU-Rahmenvorgaben
Auf europäischen Straßen ereignen sich nach Angaben der EU-Kommission jährlich 1,3 Mio.
Unfälle. Dabei sterben jedes Jahr ca. 40.000 Menschen und 1,7 Mio. Menschen erleiden
Verletzungen. Der volkswirtschaftliche Schaden dieser Unfälle wird von der EU auf 160
Mrd.€ geschätzt. Das entspricht 2% des europäischen Bruttoinlandsprodukts. Aktive Kfz-
Sicherheitssysteme bieten einer EU-Untersuchung zufolge das größte Potenzial, die Sicherheit
im Straßenverkehr wesentlich zu verbessern. Neben ABS, ESP und Bremsassistent können
zukünftige aktive lichttechnische Systeme auch zur Reduzierung des Schadenaufkommens
beitragen.
Zu diesem Zweck wurde anlässlich des 6. Rahmenprogramms der EU eine Arbeitsgruppe
„eSafety“, enhanced safety, ins Leben gerufen, die mit ihren Empfehlungen die Anzahl der
Verkehrstoten im Straßenraum bis 2010 halbieren soll. Adaptive Scheinwerfer können bei
diesem Vorhaben sicherlich ihren Beitrag zur Unfallvermeidung oder Reduzierung der
Unfallschwere durch eine bessere Wahrnehmung durch den Fahrer leisten.
2.2 Adaptive Systeme in der Kraftfahrzeuglichttechnik
Das Verkehrsaufkommen im Straßenverkehr steigt zunehmend an, da immer mehr Fahrzeuge
zugelassen werden. Das hat zur Folge, dass die Lichtfunktion Fernlicht nach [8.2, HAMM,
2000] nur noch in ca. 5% der Fahrsituationen zum Einsatz kommt. Demzufolge wird das
Abblendlicht in 95% der Nachtfahrten eingesetzt. Die limitierte Erkennbarkeitsentfernung der
Abblendlichtverteilung stellt aber einen schlechten Kompromiss zwischen Erkennbarkeitsent-
fernung des Fahrers und Begrenzung der Blendung für den Gegenverkehr dar.
Im Vergleich zum Fernlicht werden die Sichtbedingungen für den Fahrer durch die häufige
Abblendlichtnutzung eingeschränkt. Blendungs- und Adaptationsvorgänge beim Passieren
von anderen Verkehrsteilnehmern sorgen für eine erhöhte Ermüdung der Verkehrsteilnehmer.
Zukünftige aktive Scheinwerfer können einen Beitrag dazu leisten, diese Anpassungsvorgän-
ge des menschlichen Auges auf ein Minimum zu beschränken. Der Übergang vom relativ
niedrigen Leuchtdichteniveau der eigenen Fahrzeugbeleuchtung zum erhöhten Leuchtdichte-
niveau beim Passieren entgegenkommender Fahrzeuge und insbesondere der Readaptionsvor-
gang auf das Ausgangsleuchtdichteniveau kann durch die aktiven Scheinwerfer über einen
ausgedehnteren Zeitraum ermüdungsfreier für die menschliche Wahrnehmung gestaltet
werden. Bei der stationären Tunnelbeleuchtung wird der Adaptationsvorgang des Fahrers
heute schon mit einer adaptiven Ausleuchtung der Tunnelein- und –ausfahrten abgemildert. In
beiden Fällen wird das sogenannte „Fahren in ein schwarzes bzw. weißes Loch“ vermieden.
Im Unterschied zur Tagsituation bei Tunneldurchfahrten, bei der von einem hohen Leucht-
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dichteniveau gestartet wird, das im Tunnel deutlich absinkt und am Ende der Tunneldurch-
fahrt wieder ansteigt, findet bei Nachtfahrten im Begegnungsverkehr der umgekehrte Fall
statt. Dabei steigt das Leuchtdichteniveau durch die entgegenkommenden Scheinwerfer erst
an, bevor nach der Begegnungssituation das Leuchtdichteniveau wieder abrupt absinkt.
Die Erleichterung von Adaptationsvorgängen wirkt dem Trend der nachlassenden Leistungs-
fähigkeit der Augen entgegen, bei der sich ältere Mitbürger mit der Wahrnehmung im
Straßenverkehr schwerer tun. Als Alterungserscheinungen im Auge sind dabei die Trübung
der Augenlinse, eine erhöhte Blendempfindlichkeit des menschlichen Auges, eine geringere
Adaptations- und Akkommodierungsfähigkeit zu nennen. Diesen Alterungsvorgängen des
menschlichen Auges kann durch eine gezielte, angepasste Ausleuchtung mit im Lichtstrom
adaptiven Scheinwerfern entgegengewirkt werden.
Auch in anderen Bereichen der Beleuchtungstechnik von Fahrzeugen werden zunehmend
adaptive Systeme eingesetzt, um den menschlichen Anforderungen besser zu entsprechen. Im
Innenraum des Fahrzeugs wird die Fahrzeuginnenbeleuchtung dem Beleuchtungsniveau des
Fahrzeugumfeldes angepasst werden, damit für den Fahrer nicht nur die Piktogramme
sondern auch die Kontur der Schalter und Betätigungselemente und das Innenraumdesign des
Fahrzeugs bei Nacht sichtbar werden [8.2, GRIMM, 2002]. Zur Erzeugung einer Wohlfühl-
atmosphäre wird neben der Anpassung der Beleuchtungsstärke bzw. Leuchtdichte auch die
Lichtfarbe im Kfz-Innenraum eingesetzt [8.2, PIETZONKA, 2004]. Bei Displays erfolgt
ebenfalls eine Anpassung der Leuchtdichte an die Umgebungsbedingungen [8.2, WEIS,
2002].
Im Bereich der Heckleuchten werden adaptive Systeme eingesetzt, um der Lichtstreuung an
verschmutzten Heckleuchten entgegenzuwirken oder die Signalbeleuchtung den Sichtbedin-
gungen bei widrigen Witterungsbedingungen, wie Nebel oder starkem Regen anzupassen.
[8.2, PAL 2001, ARMBRUSTER]. Beim adaptiven Bremslicht (Brake-Force-Display) kann
mittels Leuchtdichteerhöhung, Flächenvergrößerung oder Pulsieren [8.2, LÖBIG, 2004] der
nachfolgende Verkehr das Maß der Verzögerung des Fahrzeuges bis hin zur Vollbremsung
(automatisches Aktivieren des Warnblinklichts bei Citroën) mehr oder weniger intuitiv
ablesen und er kann dadurch schneller darauf reagieren.
Die Umsetzung von adaptiven Lichtverteilungen in der Frontbeleuchtung ist bei Scheinwer-
fern bisher nur minimal erfolgt. Hierzu werden die Scheinwerferlichtverteilungen entspre-
chend dem Kurvenradius des Straßenverlaufs dynamisch geschwenkt. Die Lichtfunktionen
der AFS-Scheinwerfer mit Autobahnlicht, Stadtlicht und Schlechtwetterlicht bezwecken die
Lichtverteilung des Abblendlichts besser der Verkehrssituation anzupassen, wodurch eine
größere Erkennbarkeitsentfernung und/oder eine breitere Ausleuchtung erzielt werden. Die
Adaptivität der AFS-Scheinwerfer reicht allerdings noch nicht aus. Die im Rahmen dieser
Arbeit beschriebenen aktiven Scheinwerfer bieten demgegenüber neben der neuen Adaptivität
an den Fahrer und der weiteren Verbesserung der Lichtfunktion an die Verkehrssituation auch
noch die Möglichkeit der gezielten Darstellung von Informationen innerhalb der Lichtvertei-
lungen.
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Da der Mensch mit seinen Sehgewohnheiten und Bedürfnissen sehr individuell ist, kann ein
aktives Scheinwerfersystem dessen Anforderungen besser gerecht werden als Scheinwerfer,
deren Lichtverteilungen für alle Fahrer gleich sind. Dadurch wird der Fahrkomfort für den
Fahrer erhöht.
2.3 AFS – Adaptive Frontlighting System – Gesetzgebung
Im Rahmen des EU-Programms zur Steigerung der Europäischen Wettbewerbsfähigkeit durch
marktnahe, industrielle Forschung und Entwicklung EUREKA 1403, Advanced Front
Lighting System for Cars, wurden die Anforderungen für die AFS-Lichtverteilungen definiert.
Extensive Tests wurden dabei mit den Lichtfunktionen durchgeführt, bevor Vorschläge zur
internationalen Gesetzgebung vorbereitet und eingereicht werden konnten [8.2, EUREKA
1403]. Im Rahmen der Gesetzgebung wurde eine „Fast Track“-Lösung für das statische und
dynamische Kurvenlicht definiert, die deren Zulassung bereits 2003 ermöglichte. Die
weiteren Lichtfunktionen, wie Autobahnlicht, Stadtlicht und Schlechtwetterlicht, werden 2006
gesetzlich zulässig sein. Ziel des EUREKA Projekts sind erhöhte Verkehrssicherheit,
verbesserter Fahrer-Sehkomfort und reduzierter Kraftstoffverbrauch. Die Lichtverteilungen
sollen in Abhängigkeit von den folgenden Bedingungen umgeschaltet werden:
1. äußere Lichtverhältnisse: Tag, Dämmerung, öffentliche Beleuchtung und Nacht
2. Verkehrsumgebung: Autobahnen mit getrennten Fahrspuren, gewundene Landstraßen,
Stadtstraßen
3. Wetterbedingungen: Trockenheit, Nässe, Regen, Schnee, Nebel
4. Fahrzeugeigenschaften: Nickwinkeländerungen verursacht durch Beladung, dynami-
sche Nickwinkeländerungen beim Fahren, Umfang der Steuerung, Geschwindigkeit
des Fahrzeugs, Bodenfreiheit des Fahrzeugs und Anbauhöhe der Scheinwerfer
12 Partner waren am EUREKA Projekt beteiligt. Das EUREKA Projekt 1403 ist zum
01.07.2004 abgeschlossen worden.[8.2, GRE 48, 2002]
2.4 Klassifizierung von aktiven Scheinwerfern
Nachdem die adaptiven Scheinwerfersysteme mit ihren vordefinierten Lichtverteilungen
beschrieben wurden, soll hier eine Einordnung der aktiven Scheinwerfer in die zukünftigen
Scheinwerferlichtsysteme vorgenommen werden.
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Abbildung 2.1: Untergruppen der Aktiven Scheinwerfer
Klassische Scheinwerfer sind ein- bzw. zweifunktional und bieten dem Fahrer die Abblend-
und/oder die Fernlichtfunktion. Zur Vollständigkeit seien die weiteren einfunktionalen
Scheinwerfer für die Nebellichtfunktion und die Tagfahrlichtleuchte hier auch erwähnt. Bei
AFS-Scheinwerfern wurden neue Lichtfunktionen hinzugefügt. Diese weisen seit 2003 das
statische Kurvenlicht und das dynamische Kurvenlicht auf. Ab 2006 sind die Lichtfunktionen
Autobahnlicht, Landstraßenlicht, Stadtlicht und Schlechtwetterlicht zulässig. Diese beschrie-
benen Lichtfunktionen weisen die Gemeinsamkeit auf, dass deren Lichtverteilungen quasi-
statisch sind und nach vordefinierten Kriterien dem Fahrer zur Verfügung gestellt werden.
Aktive Scheinwerfer, Abbildung 2.1, mit Ihrer Unterfunktionsgruppe der assistierenden
Scheinwerfer gehen über diese quasi-statischen Lichtverteilungen hinaus, indem sie die
Lichtverteilungen und damit den Energiestrom der Lichtverteilung dynamisch anpassen und
ihn mit einem Informationsstrom modulieren. Dabei wird der Fahrer im Rahmen der assistie-
renden Scheinwerfer mit gezielt im Positiv- oder Negativkontrast dargestellten oder blinkend
hervorgehobene Informationen unterstützt. Dadurch kann nicht nur die Umweltwahrnehmung
verbessert werden (Umweltinformationsfluss), sondern es wird auch ein visueller Informati-
onsfluss über die Scheinwerferlichtverteilung zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrer
möglich, wobei das Fahrzeug seine Informationen (Navigationshinweise, technische Störun-
gen, Pausenhinweise bei Übermüdung, Lane-Departure-Hinweise etc.) dem Fahrer direkt in
die Lichtverteilung einblenden kann.
2.5 Lichttechnische Scheinwerferfunktionen
Heutige Scheinwerfer bieten dem Kunden nur die Wahl zwischen zwei bzw. drei Lichtvertei-
lungen: Abblendlicht und Fernlicht sowie optional Nebellicht. Das in den Ursprüngen der
Definition der Lichtverteilungen festgelegte Abblendlicht (passing beam) ist für den Fall einer
Begegnung mit anderen Fahrzeugen ausgelegt, während das in den Anfängen der Lichtvertei-
lungen als Standardfall vorgesehene Fernlicht (driving beam) durch das steigende Ver-
kehrsaufkommen immer mehr in den Hintergrund der Anwendung für den Nutzer gerückt ist.
Das Abblendlicht stellt allerdings nur einen Kompromiss zwischen einer guten geometrischen
Leuchtweite und der damit verbundenen guten Erkennbarkeitsentfernung auf der eigenen
Fahrbahn und einer erträglichen Blendung für den Gegenverkehr dar. Daher besteht im
Rahmen der AFS-Gesetzgebung, Projekt EUREKA [8.2, EUREKA 1403], der Wunsch, die
Lichtverteilungen den Erfordernissen der Verkehrssituation genauer anzupassen. Dadurch
kann für die jeweilige Verkehrssituation der optimale Kompromiss zwischen erhöhter
Aktives Licht – Aktive Scheinwerfer
AFS-Scheinwerfer Assistierende Scheinwerfer
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Reichweite der Scheinwerfer gegenüber der Abblendlichtverteilung und weiterhin erträglicher
Blendung gefunden werden.
Das dynamische und das statische Kurvenlicht, dessen Einführung in den Markt 2003
stattfand, sind erste Schritte für eine Anpassung der Lichtverteilung an die jeweilige Ver-
kehrssituation. Das dynamische Kurvenlicht, bei dem die Scheinwerfer in der ersten Ausfüh-
rungsform in Abhängigkeit vom Lenkwinkel, der Geschwindigkeit und der Gierrate analog
um bis zu +/-15° horizontal als Ganzes geschwenkt werden, erlaubt die Lichtverteilung dem
Kurvenverlauf nachzuführen. Im Rahmen dieser ersten Lichtfunktion adaptiver Scheinwerfer
sind zahlreiche Arbeiten entstanden [8.2, HOFFMANN, 2003; 8.2, EWERHARDT, 2001-1;
8.2, HOGREFE, 2000; 8.2, SAE 2004, YAKAMOTO; 8.2, KALZE, 2001]. Größere
Schwenkwinkel sind auf Grund des beschränkten Bauraums innerhalb der Scheinwerfer und
wachsender interner Totalreflexionen an der oft stark geneigten und gepfeilten Abdeckscheibe
des Scheinwerfers kaum möglich.
Das statische Kurvenlicht ist für Kreuzungen, Abbiegungen und Kurven mit einem kleinen
Kurvenradius vorgesehen. Es wird meist als Zusatzscheinwerfer im Scheinwerfergehäuse
integriert und wird aktiviert bei Blinkerbetätigung oder großen Lenkwinkeln. Durch das
Aufdimmen des statischen Kurvenlichts kann der Fahrer Fußgänger, Radfahrer und den
Fahrbahnverlauf deutlich früher erkennen, als es mit der bisherigen Streubreite der Lichtver-
teilung von statischen, in Fahrzeuglängsachse ausgerichteten Lichtverteilungen möglich ist.
Eine Übersicht über die Möglichkeiten der dynamischen und statischen Kurvenlichtfunktion
wird in [8.2, SAE 2004,YAKAMOTO] gegeben.
Die AFS-Lichtfunktionalitäten, die ab 2006 zulässig sind, stellen einen weiteren Schritt in
Richtung situationsabhängiger Lichtverteilung dar. Beim Autobahnlicht (motorway light)
wird die Reichweite der Scheinwerfer durch ein zentrales Anheben der Hell-Dunkel-Grenze
im Vergleich zum Abblendlicht gesteigert, wodurch es bei den dort gefahrenen höheren
Geschwindigkeiten eher möglich ist Hindernissen auszuweichen oder auf diese zu reagieren.
Das in den AFS-Regelungen definierte Landstraßenlicht (country light) entspricht in etwa
dem heutigen Abblendlicht, wobei der linke Fahrbahnrand besser ausgeleuchtet wird.
Beim Stadtlicht (town light) wird der 15° Anstieg in der Hell-Dunkel-Grenze der Lichtvertei-
lung entfernt, da bei der Aktivierung des Stadtlichts von niedrigeren gefahrenen Geschwin-
digkeiten und dem Vorhandensein einer Straßenbeleuchtung ausgegangen wird. Hierbei liegt
die Überlegung zu Grunde, dass die Sehobjekte in der Stadt durch die vorhandene Straßenbe-
leuchtung hauptsächlich im negativen Kontrast (dunkles Objekt, heller Hintergrund) wahrge-
nommen werden.
Die Schlechtwetterlichtverteilung (adverse weather light) dient dazu Blendung für den
ankommenden Verkehr zu reduzieren, indem ein Bereich links schräg vor dem Fahrzeug
innerhalb der Lichtverteilung in seiner Intensität reduziert wird. Dadurch wird auch die
Blendung durch totalreflektiertes Licht gesenkt. Hierbei gibt es mehrere Ansätze für deren
Realisierung:
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1. eigene Scheinwerfer, die nur für diese Lichtfunktion eingesetzt werden,
2. die Blendenebene der Scheinwerfer bzw. die Reflektorgeometrie werden für die ge-
wünschte Lichtverteilung modifiziert,
3. beide Fahrzeugscheinwerfer werden mit einer individuellen Lichtverteilung angesteu-
ert und deren Orientierung relativ zur Straße wird angepasst.
Das Überkopflicht (overhead light) wird durch das Streulicht der Scheinwerfer in den meisten
Fällen bereits abgedeckt. Retroreflektierende Verkehrsschilder erleichtern zusätzlich das
Ablesen auch aus größeren Entfernungen. Nachteil des Überkopflichts ist die mögliche
Eigenblendung durch das schräg nach oben abstrahlende Lichtbündel.
In [8.2, KALZE, 2001] werden verschiedene Ansteuerungsstrategien für die AFS-
Lichtfunktionen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, der Straßensituation und den
Witterungsbedingungen vorgestellt. Dabei wird neben den verschiedenen AFS-
Lichtverteilungen, dem dynamischen Kurvenlicht und den dadurch erzielbaren Sichtweiten
auch auf eine intelligente Systemansteuerung eingegangen. Tabelle 2.1 gibt einen Überblick
über die konventionellen Scheinwerferlichtfunktionen und die zukünftigen AFS-
Lichtfunktionen.
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Tabelle 2.1: Überblick der konventionellen und AFS- Scheinwerferlichtfunktionen
konventionelle
Lichtfunktionen Abkürzung
Skizze der Lichtverteilung
Landstraßenlicht
(Abblendlicht)
low beam
LB
Fernlicht
high beam HB
Nebellicht
front fog light FFL
Pre-AFS-
Lichtfunktionen
statisches Kurven-
licht
static bend lighting
stat. BL
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dynamisches
Kurvenlicht
dynamic bend
lighting
dyn. BL
AFS-Lichtfunktionen
Stadtlicht
town light TL
Autobahnlicht
motorway light ML
Schlechtwetterlicht
adverse weather light
AWL
Überlagerung der
konventionellen und
AFS-Lichtfunktionen
AFS
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2.6 Historie der Scheinwerferentwicklung
Zu Beginn der Scheinwerferentwicklung war das „Gesehen werden“ von größerer Bedeutung,
da es nur wenige Fahrzeuge auf den Straßen gab, sodass sich die Leuchten von Kerzenlater-
nen über die Petroleumlaternen zu den Azetylenlaternen entwickelten. Ab 1908 wurden
batteriebetriebene elektrische Lampen eingeführt. Neben dem Wandel des Mediums der
Lichterzeugung, das für eine leichtere Handhabbarkeit der Scheinwerfer sorgte, wurden
dadurch die Voraussetzungen für erste Verbesserungen in der erzielten, in Fahrtrichtung
gerichteten Lichtstärke der Scheinwerfer geschaffen.
Die ersten Scheinwerfer hatten als Reflektorform Paraboloidreflektoren, die den Lichtstrom
auf die Straße lenkten. Seit 1919 kamen neben dem Fernlicht auch ein Begegnungslicht hinzu,
da mit steigender Verkehrsdichte die Blendungsproblematik anstieg. 1925 wurde die „Bilux“-
Zweifadenlampe mit zwei Wendeln und einem internen „Shutter“ für eine Abblend- und eine
Fernlichtverteilung aus einem Reflektor in den Markt eingeführt. Die Erhöhung der seitlichen
Ausleuchtung und der Reichweite waren weitere Fortschritte in der Scheinwerferentwicklung,
die bisher immer für eine symmetrische Lichtverteilung sorgten. Beginnend mit dem Jahr
1957 wurde die asymmetrische Lichtverteilung eingeführt, die mit einer angehobenen Hell-
Dunkel-Grenze am rechten Fahrbahnrand eine erhebliche Steigerung der Reichweite beim
Abblendlicht erzielte, ohne den Gegenverkehr zu blenden. Mitte der sechziger Jahre vollzog
sich bei der Lampenentwicklung der Übergang von Glühlampen zu den Halogenglühlampen
(H1), wodurch eine Steigerung der Leuchtdichten und Lichtströme bei einer verlängerten
Lebensdauer erreicht wurde. Die Halogenglühlampen haben dabei je nach Anwendung axiale
und transversale Wendeln. Mit der Einführung der H4-Lampe war es auch hier möglich
sowohl Abblend- als auch Fernlicht mit einer Lampe und einem Reflektor zu erzeugen. Der
Übergang von der H1 zur H7 Lampe steigerte erneut die Wendelleuchtdichten und sorgte für
geringere Wendel- und Lagetoleranzen der Lichtquelle. Mit der Einführung der Xenon-
Gasentladungslampen konnte eine erneute Steigerung der Leistungsfähigkeit der Lampen in
Leuchtdichte, Lichtstrom und Lichtausbeute bei einer verlängerten Lebensdauer der Lampe
erzielt werden, sodass diese Lampen für die normale Lebensdauer eines Fahrzeugs ausgelegt
sind. Bei den Gasentladungslampen werden Bauformen für Projektionsscheinwerfer D2S und
für Reflexionsscheinwerfer D2R mit auflackiertem „Shutter“ unterschieden [8.2, HELLA
1999; 8.2, BOSCH, 2002]. Eine Übersicht über die Leistungsfähigkeit der Lichtquellen wird
in Kapitel 2.7 gegeben.
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Abbildung 2.3: Bilder der H1-(a), H4-(b), D2S- und H7-Lampe (c) [8.3, KLEINKES, 2003]
Historie des dynamischen Kurvenlichts
Kurvenlicht-Scheinwerfer, früher nur mit Fernlicht erlaubt, wurden in der Historie mit
einfachen mechanischen Mitteln bereits mehrmals umgesetzt. 1931 wurde [8.2, MULLER,
1931] ein Patent für motorisch in der Höhe und in der Seite verstellbare Scheinwerfer (LWR
und dynamisches Kurvenlicht) erteilt. 1938 wurde ein Kfz, der Lecoq, mit dynamischem
Kurvenlicht ausgestattet [8.3, WÖRDENWEBER, 1999]. Der Tucker `48 automobile #1016
von Preston Thomas Tucker entwarf 1948 ein Fahrzeug mit nur einem schwenkbaren,
zentralen Fernlicht-Scheinwerfer von dem 51 Einheiten gebaut wurden [8.2, SAE 2002,
HAMM]. 1972 stattete Citroën den DS 23 IE Pallas mit zwei mechanisch über Seilzug
schwenkbaren Fernlicht-Scheinwerfern aus [8.2, LOTT, MARTINOT, 1999]
Seit 2003 sind auch schwenkbare Abblendlicht-Scheinwerfer gesetzlich zulässig. Neu dabei
ist, dass diese elektromotorisch in Abhängigkeit vom Lenkwinkel und zusätzlich wenigstens
der Geschwindigkeit sowie z.T. auch in Abhängigkeit von der Gierrate geschwenkt werden.
Da das Ansteuerungsverhalten zum Kurvenein- und zum Kurvenausgang der eigentlich
benötigten Ausleuchtung zeitlich verzögert ist, wird diese Schwäche erst mit einer voraus-
schauenden Sensorik, z.B. einer Video-Bildverarbeitung, in Zukunft behoben werden können.
2.7 Lichtquellen
Basierend auf dem Kapitel 2.6, Historie der Scheinwerferentwicklung, soll hier die Entwick-
lung der Gasentladungslampen aufgezeigt werden.
Seit 1991 sind Gasentladungslampen in Deutschland, seit 1996 auch in Europa zugelassen.
Sie erzeugen einen Lichtstrom von ca. 3200 lm bei einer Leuchtdichte von >60 Mcd / m². Im
Vergleich zu einer H7-Halogenlampe konnte der Nenn-Lichtstrom um den Faktor 2,9
gesteigert und die Leistungsaufnahme um den Faktor 0,64 reduziert werden, s. Tabelle 2.2 .
Die Ursache dafür liegt in der Verwendung einer Gasentladung im Vergleich zu einem
Temperaturstrahler, wie er bei den Halogenlampen verwendet wird. Damit ist es möglich die
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Lichtausbeute der Lichtquelle deutlich zu erhöhen, wobei der normalerweise nicht genutzte
Infrarot-Anteil der Lampen erheblich reduziert wird.
Tabelle 2.2 Vergleich der Kfz-Hauptlichtfunktions-Lichtquellen [8.3, KLEINKES, 2003]
Lampe Prinzip Leistungsaufnahme
[Watt]
Lichtstrom bei
Prüfspannung 12 V [lm]
Lichtstrom bei Kfz-
Betriebsspannung 13,2 V
[lm]
H1 Halogen 55 1150 1550
H4 Halogen 55 750 1000
H7 Halogen 55 1100 1500
D2R Xenon 35 2800 2800
D2S Xenon 35 3200 3200
Die Gasentladungslampe ist mit dem Edelgas Xenon für einen beschleunigten Zündvorgang
sowie mit einer Mischung aus Quecksilber und Metallhalogeniden gefüllt. Für den Einschalt-
vorgang und den Betrieb ist ein elektronisches Vorschaltgerät erforderlich. Wird eine
Zündspannung von 10 - 20kV angelegt, so wird das Gas zwischen den Elektroden leitend
(ionisiert) und es bildet sich ein Lichtbogen aus. Damit das Anlaufverhalten beschleunigt
wird, fließt ein höherer Anlaufstrom, der für ein schnelleres Erreichen der stabilen Betriebspa-
rameter, d.h. den Nennlichtstrom von 3200 lm bei einer Betriebswechselspannung von 85V
und 400 Hz sorgt.
Beim Zünden erzeugt das Xenon-Zündgas einen höheren Lichtstrom in der Anlaufphase der
Gasentladungslampe. Die Xenon-Gasentladung wird im Dauerbetrieb durch eine Quecksilber-
Metallhalogenid-Gasentladung abgelöst, wobei diese durch die Verwendung von Metallhalo-
geniden in ihrer erzielten Lichtfarbe eingestellt wird.
Aus Gründen des Umweltschutzes wird momentan intensiv an quecksilberfreien Gasentla-
dungslampen gearbeitet, die eine mit heutigen Gasentladungslampen vergleichbare Leistungs-
fähigkeit aufweisen sollen [8.2, PAL2003, GRUNDMANN; 8.2, PAL 2003, JALINK].
Bei der Gasentladung ist die räumliche Begrenzung der Lichtquelle im Vergleich zu den
Halogenglühlampen weniger genau definiert. Daher sind gesonderte Maßnahmen in der
Scheinwerferentwicklung erforderlich. Hierzu wird der Lampenkolben der bei Reflexions-
scheinwerfern eingesetzten D2R-Lampen seitlich lackiert. Bei H4-Lampen wird eine Kappe
für die Abblendlichtwendel im Lampenkolben eingesetzt. Bei D2S-Lampen kann diese
Vorkehrung entfallen, da im optischen System eines Projektionsscheinwerfers eine Blende im
Strahlengang des Scheinwerfers angeordnet ist. Um die Lagepräzision der Gasentladung zu
erhöhen, wird momentan an dem Einsatz von hochtemperaturstabilen, transluzenten Kerami-
ken für die Einhausung der Gasentladung auch in der Kfz-Beleuchtung geforscht [8.2,
OSRAM, LS10 Poster]. Die quecksilberfreien Gasentladungslampen besitzen einen schärfer
begrenzten Lichtbogen. Das Reflektor- und Scheinwerferdesign muss auf diese neuen
Lichtquellen angepasst werden.
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Ein weiterer Trend bei den Gasentladungslampen besteht in der baulichen Vereinigung von
Zündelektronik und Brenner, wodurch die Wegstrecke der Hochspannung minimiert wird.
Diese Lösung findet bei D1S- und D1R-Lampen Anwendung [8.2, OSRAM, PHILIPS].
Für aktive Scheinwerfer werden teilweise neue Lichtquellen eingesetzt. Eine Fortentwicklung
besteht darin, den Elektrodenabstand von 4,2mm zu verkürzen, wodurch die Leuchtdichte der
Lichtquelle weiter gesteigert werden kann. Ein Betreiben der Lampe mit einer höheren
Leistung führt ebenfalls zu einer Steigerung der Leuchtdichte. Das Lampendesign muss dabei
der erhöhten Leistung angepasst werden, um eine gleichbleibend hohe Lebensdauer der
Lampe zu gewährleisten.
UHP-Lampen, die bisher nur bei Videoprojektoren eingesetzt werden, erfüllen diese Anforde-
rung. Diese besitzen einen Elektrodenabstand von nur 1,0 mm bis 1,3 mm. Da diese Lampen
mit Quecksilber (Argon) gefüllt sind, ist deren Zündverhalten noch zu träge für den Kfz-
Einsatz. Zusätzlich muss ihre Lebensdauer für die Kfz-Anwendung noch gesteigert werden.
Bisher sind diese Lampen im Straßenverkehr gesetzlich nicht zugelassen. [8.2, DERRA,
2005]
LEDs weisen niedrigere Leuchtdichten und Lichtströme auf. Zum Ausgleich der geringen
Lichtströme können mehrere LEDs parallel als Lichtquelle eingesetzt werden. Das erhöht die
Kosten des Gesamtsystems. Eine Multichip-LED-Anordnung geht diesen Weg. Bedingt durch
die noch relativ geringe Leuchtdichte der bisherigen weißen LED-Chips sind, um die
geforderten Lichtstärken zu erzielen, großvolumige Scheinwerfer-Designs mit großen
Linsendurchmessern oder Reflektorflächen mit geeigneten Abbildungsmaßstäben erforder-
lich. Die Kühlung der LED-Chips, die durch einen ausreichend dimensionierten Kühlkörper
erzielt wird, ist wegen des temperaturabhängigen Lichtstromverhaltens der LEDs notwendig.
Dieser Kühlkörper trägt zum Volumen des LED-Scheinwerfers bei. Eine möglichst scharf
begrenzte leuchtende LED-Chip-Fläche ist für die Erzeugung der Hell-Dunkel-Grenze
anzustreben.
Über Multiple-Chip-Arrays, bei denen die Halbleiterchips frei adressierbar sind, kann eine
individuelle und situationsabhängige Lichtverteilung erzielt werden [8.2, EICHHORN, 2004].
Seit Mitte der 90er Jahre haben erhebliche Packaging-Fortschritte die Anwendungs-
möglichkeit von Hochleistungs-LEDs mit höherer Leuchtdichte und langer Lebensdauer
erhöht. LEDs werden von den Designern zunehmend als entwicklungsfähige und ansprechen-
de Lichtquellen für die automobile Scheinwerferanwendung empfunden, da LEDs eine sehr
hohe Lebensdauer besitzen, sehr haltbar sind, kein Quecksilber enthalten, kaltes Licht
erzeugen, energieeffizient sind und eine Vielzahl von Styling-Möglichkeiten bieten. [8.2,
SAE 2004, KERN]. Eine Reduktion in Gewicht und Bautiefe der Scheinwerfer wird in
späteren Scheinwerfergenerationen ebenfalls möglich sein. Durch die Abstrahlcharakteristik
in nur eine Halbsphäre lässt sich die Reflektorgröße relativ zu konventionellen Reflektoren
verkleinern. Die geringe Leuchtdichte der LEDs erfordert demgegenüber aber wieder größere
Reflektorflächen, um dieselbe Lichtstärke zu erzeugen. [8.2, SAE 2004 SAZUKA]
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Tab 2.3: Vergleich potentieller Lichtquellen für den Scheinwerfereinsatz
Nr.
Bezeichnung Leucht-
dichte
[Mcd / m²]
Licht-
strom
[lm]
elektr.
Leistung
[W]
Wirkungs-
grad
[lm/ W]
Lebens-
dauer
[h]
Größe der
Lichtquelle
[mm²]
1 Halogenlampe ≈ 20 – 25 1500 55 22 - 26 550 4,2 x1,2
2 Gasentladungslampe > 60 (70) 3200 35 85 2000 4,2 mm
3 D2S kurz 170 3900 50 78 - 3 mm
4 UHP-Lampe 1000 10000 >=100 60 - 70 2000 bis
>10.000
1,0 – 1,3
5.1 Weiße LED (in 2006)
[Hella, 01.2006]
ca.20 110 2,4 45 >10.000
1,0 x 1,0
5.2 Weiße LED (in 2006) ca.15 45 1 40 >10.000
1,0 x 1,0
6 Multichip LEDs (in
2007) [Hella, 01.2006]
ca.15 ca. 300
ca. 15 ca.20 - -
[8.2, HELLA TI Scheinwerfer, 2005; 8.2, DERRA, 2005; 8.2, HELLA KGaA, 2006, diverse]
Im Hinblick auf die derzeit geringe Leistungsfähigkeit von LEDs wird deren Anwendung im
Rahmen dieser Arbeit nur am Rande gestreift.
2.8 Scheinwerfertechnologien
Seit Beginn der Scheinwerfertechnik haben sich zwei optische Grundbauformen, der Reflexi-
ons- und der Projektions-Scheinwerfer, durchgesetzt, die in Abhängigkeit vom Stand der
Lichtquellen weiterentwickelt wurden. Heutzutage werden bei beiden Grundbauformen die
Halogenlampen und die Gasentladungslampen in der Scheinwerferserie eingesetzt. Weiße
LEDs wurden bisher nur für erste Scheinwerferfunktionen eingesetzt, bei denen die Signal-
wirkung für den entgegenkommenden Verkehr im Vordergrund steht. Zu nennen ist dabei das
Positions- und das Tagfahrlicht im neuen Audi A8-Scheinwerfer, bei dem diese Lichtfunktio-
nen erstmals in der Scheinwerferserie in LED-Technik [8.2, HELLA, 2004] ausgeführt sind.
Erste Prototypen zeigen den Einsatz von LEDs in der Abblend- und Fernlichtfunktion, wobei
der VW Golf Prototyp [8.2, HELLA, 2005] zuerst vorgestellt wurde. Später in 2005 wurde
ein Prototyp eines Volvo SUV gezeigt. [8.2, VALEO, 2005].
Die Scheinwerfertechnologien werden im Wesentlichen von folgenden Faktoren geprägt,
Abbildung 2.4: Zunächst sind die Zahl und die Art der gewünschten Lichtfunktionen der
Scheinwerfer zu nennen, die bisher relativ konstant geblieben sind, sich aber in Zukunft im
Rahmen der AFS-Gesetzgebung und der zukünftigen aktiven Scheinwerfersysteme deutlich
erhöhen werden.
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Ein zweiter, wichtiger Einflussfaktor stellen die Lichtquellen dar, die sich in ihrer Leistungs-
fähigkeit, d.h. Lichtstrom, Leuchtdichte und Lebensdauer, bisher ständig verbessert haben.
Die LEDs stellen als Halbleiterlichtquelle eine neue Lichtquellen-Kategorie dar, die im
Vergleich mit den konventionellen Lichtquellen, u.a. im Bezug auf ihre Leuchtdichte z. Zt.
noch geringere Werte als Gasentladungslampen aufweist.
Die Veränderung der Abstrahlrichtungen der Scheinwerferlichtverteilung von ursprünglich
quasi-statisch zu einer variablen Abstrahlrichtung in vertikaler und horizontaler Richtung
führt zu einer dynamischen Lichtlenkung der Scheinwerferlichtverteilungen in einem deutlich
vergrößerten Winkelbereich.
Die Art der Erzeugung der Lichtstärkeverteilungen (LSV) hat sich ebenfalls von einzelnen,
additiv erzeugten, zu subtraktiv begrenzten Lichtverteilungen hin entwickelt. Die Scheinwer-
ferzukunft wird sich zu einer energieeffizienteren Lichtstrom-Umverteilung weiterentwickeln.
Additive Lichtverteilungslösungen stehen dabei nach wie vor im Wettbewerb zu den subtrak-
tiven und lichtstromumverteilenden Lichtstärkeverteilungs-Erzeugungsarten.
Abbildung 2.4: Radialdiagramm der Scheinwerferlichtverteilungen (-Funktionen), der
Lichtquellen, der Scheinwerfertechnologien und der Art der Erzeugung der Lichtverteilungen
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Diese vier Einflussfaktoren der steigenden Anzahl an Lichtverteilungen (Lichtfunktionen),
der Weiterentwicklung der Lichtquellen, der Variation der Lichtrichtungen und der Art und
Weise der LSV-Erzeugung, sind in Abbildung 2.4 dargestellt und werden in dieser Arbeit zu
neuen Scheinwerfertechnologien führen.
Bisher werden als optische Grundbauformen der Scheinwerfertechnik das Reflexionssystem
und das Projektionssystem unterschieden. Um ein Verständnis für die Funktions- und
Wirkungsweise der später beschriebenen Scheinwerferprinzipien und deren bestimmenden
optischen und lichttechnischen Dimensionierungsparameter zu gewinnen, sollen hier beide
Grundbauformen der Scheinwerfertechnik kurz erläutert werden.
2.8.1 Reflexionstechnik
Beim Reflexionssystem wird der von der Lampe ausgesandte Lichtstrom von einem parabo-
loidförmigen Reflektor gesammelt und umgelenkt, Abbildung 2.5. Die geometrischen
Abmessungen, Breite, Höhe, Brennweite und Bautiefe beeinflussen die Leistungsfähigkeit des
optischen Systems, indem sie über physikalische Gesetzmäßigkeiten miteinander verknüpft
sind und damit die Höhe des Lichtstroms und dessen Verteilung innerhalb der Lichtstärkever-
teilung festlegen [8.2, WMI KG, 1983]. Die Lampenwendel liegt vor dem Reflektorbrenn-
punkt, wodurch die Strahlen konvergent abgestrahlt werden. Daher wird das Licht der in der
Reflexionstechnik zuerst genutzten oberen Hälfte des Reflektorscheinwerfers leicht nach
unten gerichtet abgestrahlt. Damit lässt sich die Blendung des Gegenverkehrs reduzieren. Bei
einer real nicht existierenden Punktlichtquelle würde ein paralleles Strahlenbündel ausgesandt
werden, wenn die Punktlichtquelle sich genau im Brennpunkt des Paraboloidreflektors
befinden würde.
Abbildung 2.5: Prinzipielle Funktionsweise eines Reflexionssystems [8.3, KLEINKES, 2003]
Je nach Lage eines Segmentes des Scheinwerferreflektors relativ zur Lampenwendel wird
durch die Reflexion der Wendel auf diesem Segment eine unterschiedliche Orientierung des
Wendelbildes auf der Straße erzeugt. Reflektorteile ober- und unterhalb der Wendel erzeugen
senkrecht stehende Wendelbilder, seitliche Reflektorteile bilden horizontale bzw. im Über-
gangsgebiet geneigte Wendelbilder auf die Straße ab. Neben der Orientierung der Wendelbil-
der im Raum und deren resultierender Lage unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze einer Abblend-
lichtverteilung spielt deren Größe eine entscheidende Rolle. Je entfernter das Reflektorseg-
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20
ment von der Lampenwendel liegt, desto kleiner ist die projizierte Fläche des Wendelbildes
auf der Straße und desto höher ist die Lichtstärke der Lampe in diese Richtung. Daher werden
die äußeren Reflektorzonen zur Ausleuchtung der Bereiche nahe des HV-Punktes, am Knick
der Hell-Dunkel-Grenze, verwendet. Je größer die Reflektorfrontfläche eines Scheinwerfers
ist, um so besser ist seine Abbildungsleistung, da sich mit den kleineren Wendelbildern
größere Lichtstärken und damit größere Reichweiten erzielen lassen. Der heutige Trend zu
runden Außenformen des Reflektors und kleineren Lichtaustrittsflächen steht der Verbesse-
rung der lichttechnischen Leistungsfähigkeit des Scheinwerfersystems aber entgegen.
Die Wendelbilder auf der Straße werden miteinander überlagert, sodass die resultierende
Lichtverteilung mit dem gewünschten Lichtstärkegradienten gebildet wird. Um die Genauig-
keit der Hell-Dunkel-Grenze zu erhöhen, wird ein Abschatter innerhalb des Lampenkolbens,
z.B. einer H4-Lampe, Abbildung 2.6 und Abbildung 2.7 verwendet. Teilweise ist der
Abschatter auch außerhalb angeordnet, z.B. bei einer D2R-Lampe. Bei dieser ist zusätzlich
ein Teil des Lampenkolbens lackiert. Mit einer Lampenkappe, die direkt auf den Lampenkol-
ben aufgebracht oder als separates Element vor der Lampe angeordnet ist, wird das sonst
unkontrolliert direkt in den Straßenraum abstrahlende Licht der Lampe abgedeckt. Damit
kann die Eigenblendung durch Streulicht in Nebelsituationen erheblich reduziert werden. Die
Fremdblendung des Gegenverkehrs wird durch diese Maßnahme ebenfalls reduziert. In
Abbildung 2.7 wird die Funktion des Abschatters bzw. der Abschattungseinrichtung gezeigt.
Bemerkenswert sind der Halbschatten und Schatten, die durch die räumlich ausgedehnte
Lichtquelle und die Position des Abschatters hervorgerufen werden. Die Arten einer optikbe-
hafteten Streuscheibe und deren resultierende Strahlablenkungen werden ebenfalls dargestellt.
Abschatter und Streuscheibe erzeugen in ihrer Kombination die gewünschte Hell-Dunkel-
Grenze. Früher verbesserte eine optikbehaftete Streuscheibe die Ausleuchtung einzelner
Felder der Scheinwerferausleuchtung, indem sie mit unterschiedlich profilierten Bereichen
den Strahlengang des Reflektors korrigiert. Heute wird die Ausleuchtung fast ausschließlich
durch einen Freiform-Reflektor und dessen Reflektorsegmente erzeugt.
Abbildung 2.6: Paraboloid-Reflexionsscheinwerfer mit einer H4-Lampe, Strahlengang des
Fernlichts a) und des Abblendlichts b). [8.3, KLEINKES, 2003]
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Abbildung 2.7: Optische Komponenten des Reflexionsscheinwerfers [8.2, BÖRNCHEN, 2001,
(o.V.) 1983]
Beginnend mit den reinen Parabelformen des Reflektors, die z.B. für Fernlicht nach wie vor
im Einsatz sind, werden zunehmend auch Stufenreflektoren verwendet, die aus Reflektorseg-
menten mit parabolischen und parelliptischen (Kombination aus Parabel und Ellipse)
Reflektorbereichen verschiedener Brennweiten aufgebaut sind. Stufenreflektoren weisen eine
reduzierte Bautiefe auf [8.2, BOSCH, 2002].
Neben Reflektoren mit nur einem Brennpunkt (Homofocal-Reflektoren) werden auch
Multifocal-Reflektoren eingesetzt.
Bei Facetten-Reflektoren sind Stufen und damit Unstetigkeiten innerhalb des Reflektors
zulässig, bei denen jedes Segment eines Reflektors mit CAL-Programmen optimiert wurde.
Bei klaren, profillosen Abschlussscheiben werden in einer erweiterten Reflektortechnik
Homogeneous Numerically Calculated Surface-Reflektoren verwendet, die eine erneute
Wirkungsgrad-Steigerung ermöglichen. Das wird durch die Nutzung der gesamten Reflektor-
fläche erzielt, die bei einer optikfreien Abschlussscheibe, jedem Wendelbild eine gezielte
Richtung vorgibt. Diese Wendelbilder werden zu der gewünschten Lichtverteilung überlagert.
Die Reflektorstrategie und die danach computerunterstützt berechneten Reflektoren werden in
ihrer mathematisch komplexen Fläche durch mehrere tausend Parameter beschrieben [8.2,
WEBER,1996]. Diese stufenlosen Reflektoren werden als sogenannte FF-Reflektoren
(Variabler Focus-Reflektoren) bezeichnet.
2.8.2 Projektionstechnik
Die Projektionsscheinwerfer bestehen aus einer Lichtquelle, einem elliptischen oder aus
einem mehrfach elliptischen Reflektor, einer Blende und einer Linse. Das Grundprinzip des
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Projektionsscheinwerfers gleicht dabei dem eines Diaprojektors, wobei das Dia durch eine
Blechblende und die homogene Beleuchtung des Dias durch eine gezielt inhomogene
Ausleuchtung ersetzt wird, siehe Abbildung 2.8. Die inhomogene Ausleuchtung der Blenden-
ebene wird durch einen FF-Ellipsoidreflektor geformt. Diese Ausleuchtung wird durch die
Blende begrenzt. Durch die optische Abbildung der Linse des Projektionsscheinwerfers wird
das Abbild der Blende als Hell-Dunkel-Grenze auf die Straße projiziert. Je nach Position der
Blende relativ zur Linse kann eine mehr oder weniger scharfe Hell-Dunkel-Grenze erzeugt
werden. Eine Überlagerung der gekrümmten Linsenfläche mit einer Mikroriffelung, auch
Modulation genannt, weicht die Hell-Dunkel-Grenze auf.
Der Projektionsscheinwerfer zeichnet sich durch eine deutlich reduzierte Größe der Lichtaus-
trittsfläche aus, und er kommt daher den heutigen Anforderungen nach einem möglichst
kleinen, frontalen Erscheinungsbild der Scheinwerfer entgegen. Diese kleine Lichtaustrittsflä-
che ist durch den funktionsbedingten Aufbau eines Projektionsscheinwerfers aber mit einer im
Vergleich zu einem Reflexionsscheinwerfer größeren Bautiefe verknüpft.
Beim Poly Ellipsoid-PLUS-System wird ein Teil der Lichtverteilung unterhalb der Projekti-
onslinse vorbeigeleitet [8.2, BOSCH, 2002], wodurch eine verbesserte, breitere Vorfeldaus-
leuchtung erzeugt werden kann. Bei der Verwendung eines zusätzlichen Ringreflektors kann
das Erscheinungsbild des Scheinwerfers vergrößert werden, wodurch die psychologische
Blendung des Gegenverkehrs reduziert wird, da die erhöhte Leuchtdichte der abbildenden
Linse von in einem aufgehellten Umfeld umrahmt wird.
Die Effizienz des Projektionsscheinwerfers im Sammeln von Lichtstrom kann sehr hoch sein.
Je nach Lichtquelle ist der Abstrahlraumwinkel 4π (Glühlampe, Gasentladungslampe) oder 2π
(LED). Die Optik muss entsprechend der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle abgestimmt
werden.
Abbildung 2.8: Prinzipielle Funktionsweise eines Projektionssystems [8.3, KLEINKES, 2003]
Die Veränderung der Lage des Schwerpunktes der Ausleuchtung eines Projektionsscheinwer-
fers wurde von [8.2, KOBAYASHI, SAE 1998] vorgestellt, wobei Kobayashi eine Anord-
nung aus einer konkaven und einer konvexen Linse verwendet. Durch das horizontale laterale
Verschieben der konkaven Linse wird das Maximum der Lichtverteilung in eine Kurve
hineinbewegt. Ein ähnliches System wurde im Rahmen des EUREKA-Projektes aufgebaut,
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bei dem durch die Änderungen des axialen Abstandes zwischen der konkaven und der
konvexen Linse die Breite der Ausleuchtung verändert wurde.
2.8.3 Leuchtweitenregelung
Seit 1990 ist eine statische Leuchtweitenregelung für Scheinwerfer vorgeschrieben. Sie
erlaubt dem Fahrer in Abhängigkeit vom Beladungszustand des Fahrzeugs die Scheinwerfer-
vorneigung anzupassen. Bei der Einführung der Gasentladungsscheinwerfer wurde zur
Vermeidung von Blendung eine dynamische Leuchtweitenregelung und eine Scheinwerfer-
reinigungsanlage vorgeschrieben. Die dynamische Leuchtweitenregelung hat die Aufgabe die
Scheinwerfer in ihrer Orientierung nachzuregeln. Das geschieht nicht nur abhängig von der
Beladung sondern auch von den Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen und den
daraus resultierenden Nickbewegungen des Fahrzeugs, aber stets unabhängig vom Fahrer.
Dabei wird die geometrische Reichweite der Scheinwerfer während der Fahrt trotz Fahrzeug-
dynamik möglichst konstant gehalten. Dadurch soll das Fahrzeug auch bei Fahrdynamikbe-
wegungen nicht den Gegenverkehr blenden.
Bestrebungen für eine Anhebung der Scheinwerferlichtverteilung an die 0° Vorneigungs-
position, um eine größere Reichweite der Scheinwerfer zu erzielen, werden in folgenden
Veröffentlichungen beschrieben [8.2, ROSLAK, 2003; 8.8, KAUSCHKE, 2003-1]. Kuhl [8.2,
KUHL, 2004] beschreibt Maßnahmen für eine vom Verlauf der Straße abhängigen Ansteue-
rung der Scheinwerferleuchtweitenregelung, wobei eine möglichst hohe geometrische
Reichweite der Scheinwerferausleuchtung erzielt werden soll.
Die 1993 erfolgten Untersuchungen zur Sichtweitesteigerung bzw. zur Blendungsvermeidung
mit UV-Licht sowie mit je nach Fahrtrichtung orientiertem, polarisiertem Licht sind eher als
Sonderwege in der Scheinwerferentwicklung anzusehen.
2.9 Dimensionierung von konventionellen Scheinwerfern
Bei der Berechnung von Scheinwerfern lassen sich die folgenden Grundaussagen treffen:
1. Konventionelle Reflexions-Scheinwerfer verbessern die Qualität des Abblendlichtes mit
zunehmender Reflektorgröße, da dadurch kleinere Wendelbilder auf die Straße abgebildet
werden können. Die stilistischen Anforderungen der Designer nach aerodynamischeren
Fahrzeugfronten kann dem Bestreben nach größeren Scheinwerfern entgegenstehen. Die
Breite des Reflexions-Scheinwerfers ist dabei wichtiger als die Höhe, da insbesondere die
horizontalen Wendelbilder für eine hohe Lichtstärke direkt unterhalb der Hell-Dunkel-
Grenze notwendig sind. Diese lassen sich besser an die Hell-Dunkel-Grenze anschmiegen.
2. Eine größere Reflektortiefe der Reflexions-Scheinwerfer erhöht etwas den Wirkungsgrad
des Scheinwerfers, da dadurch ein etwas größerer Lichtstrom der Lampe eingefangen
wird.
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3. Die Anbauhöhe der Scheinwerfer hat einen großen Einfluss auf die geometrische Reich-
weite der Scheinwerfer. Da die Vorneigung der Scheinwerfer gesetzlich mit z.B. 1% (je
nach Anbauhöhe z.B. 65cm) vorgeschrieben ist, wird durch die Anbauhöhe die Entfer-
nung des Abbildes der Hell-Dunkel-Grenze auf der Fahrbahn festgelegt.
4. Die Leuchtdichte der Lichtquelle kann durch das optische System nicht erhöht werden.
Sie fällt innerhalb des optischen Systems durch Reflexions- und Transmissionsverluste in
ihrem Wert ab.
5. Der Etendué-Wert des optischen Ausgangs des Scheinwerfersystems ist stets gleich oder
größer als der Eingangswert des optischen Scheinwerfersystems bzw. größer als der Eten-
dué-Wert der geometrisch ausgedehnten Lampe.
Diese photometrischen Grundaussagen über Scheinwerfer und die Designanforderungen an
die Systemapertur erfordern, dass LED-Lichtquellen wenigstens eine mit den gegenwärtigen
Halogenlichtquellen vergleichbare Leuchtdichte aufweisen müssen. [8.2, SAE 2004, WANG]
Eine horizontale, axiale Ausdehnung der Lichtquelle ist ebenfalls von Vorteil, da damit die
Lichtquellenbilder besser überlagert werden können. Dem nicht-isotropen Aspektverhältnis
der Scheinwerferlichtverteilung und dem relativ scharfen vertikalen Gradienten der Schein-
werferlichtverteilung nahe der Hell-Dunkel-Grenze wird dabei am besten entsprochen.
Kennzeichen der Lichtverteilung ist die relativ große horizontale Streubreite und die demge-
genüber relativ geringe vertikale Streubreite.
In einem Scheinwerfer mit einem typischen Aufbau reduziert sich die Leuchtdichte der
Lichtquelle durch die optischen Elemente einschließlich der äußeren Linse um etwa 25% bis
40%. [8.2, SAE 2004, SAZUKA].
2.10 Dimensionierung von nichttraditionellen Optiken für Scheinwerfer
2.10.1 TIR Linse
Bei Standardlinsen wird die Numerische Apertur begrenzt durch die Dicke der Linse. Daher
ist der Wirkungsgrad des Lichtstromsammelns limitiert. Durch die Kombination aus einer
zentralen Fresnellinse und einem äußeren Ring aus in Totalreflexion arbeitender Optik (Total
Internal Reflection TIR) kann die Brennweite der Optik zusätzlich stark reduziert werden,
wodurch sich die Numerische Apertur und die Lichtstromsammeleffizienz erhöht. Bei der
TIR-Optik wird die Totalreflexion an der ersten internen Fläche ausgenutzt, nachdem das
einfallende Licht sich im optisch dichteren Medium befindet. Diese Linsen werden auch als
„in Achsen Hologramm-Linsen“ bezeichnet [8.2, SAE 2004, WANG]. Je nach Optikdesign
treten Kaustiken auf.
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ECHNIK
25
2.10.2 Compound Parabolic Concentrator (CPC)
Der CPC zählt zu den nichtabbildenden Optiken, der auf eine Abwägung zwischen Abstrahl-
winkel und leuchtender Fläche beruht. Bei ihm wird das Prinzip des Etendué angewendet. Je
kleiner die durchstrahlte Fläche, umso größer ist der Raumwinkel des jeweils zugehörigen
Lichtbündels. Soll ein vorgegebener Streuwinkel θ des Lichts für einen gegebenen Lichtquel-
lendurchmesser d (Durchmesser der Eintrittspupille) erzielt werden, so kann die Länge l des
CPC nach folgender Formel berechnet werden:
sin
1
1cos
Θ
+Θ
=
d
l
Die Länge des CPC kann reduziert werden, wenn Lichtstromverluste akzeptiert werden. [8.2,
SAE 2004, WANG; 8.2, WELFORD, 1989]
2.11 Literatur- und Patentanalyse
Die Motivation für bessere Scheinwerferlichttechnik wird in [8.6, ECKERT, 1993]; [8.2, PAL
1997, LANGWIEDER]; [8.3, GALL, 1998]; [8.2, WALLASCHEK, 1998], [8.2, BÖRN-
CHEN, 2001], [8.2, LACHMAYER / NEUNZIG, 2001]; [8.6, VDI, 2004]; [8.2, SPIEGEL,
2004]; [8.2, SPIEGEL, 2005-3] in vielfältiger Art und Weise, hauptsächlich bedingt durch
deutlich erhöhte Unfallzahlen bei Nacht und eine schlechtere Wahrnehmung des Menschen
bei Nacht begründet.
2.11.1 Variable Scheinwerfersysteme
Bei der Umsetzung der AFS-Lichtfunktionen wurde zunächst von der additiven Lichtvertei-
lungserzeugung ausgegangen, wie sie bisher bei ersten Versuchsfahrzeugen zu AFS und in
der Arbeit von [8.3, DAHLEM, 2001] verwendet wird. Im Bereich der Serienscheinwerfer ist
dieses Prinzip beim Maybach-Scheinwerfer in Kombination mit einem Bi-Xenon-
Scheinwerfer umgesetzt worden. LED-Scheinwerfer beruhen ebenfalls auf dem Prinzip der
additiven Lichtverteilungserzeugung. Nachteilig sind bei additiven Scheinwerfersystemen
deren großer Bauraum und die auftretenden Kosten, da für jede Lichtfunktion ein separates
Scheinwerfersystem vorgesehen werden muss. Ziel muss es daher sein möglichst viele
Lichtfunktionen in ein Scheinwerfermodul zu integrieren.
Das Vario-Xenon-System der Hella KG [8.2, EICHHORN, 2000] stellt mit seiner Freiform-
Walze mit unterschiedlichen Konturen eine kompakte Alternative dar, bei der die Lichtvertei-
lungen subtraktiv erzeugt werden. Dabei lassen sich auf der Freiformwalze zwischen vier und
sechs verschiedene Lichtfunktionen mit ihren Hell-Dunkel-Grenzen darstellen.
Alternativ wird eine rotierende Blendenscheibe von [8.2, SAE 2003, LELEVE] vorgestellt.
Stanley, vgl. Kapitel 8.9, hat basierend auf der „vertical shape line-beam headlamp“ [PAL
2001, OYAMA] einen AFS-Scheinwerfer vorgestellt, bei dem der Lampenkolben senkrecht
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TAND DER
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ECHNIK
26
zur optischen Achse des Scheinwerfers steht und bei dem Reflektorsegmente geschwenkt
werden, wodurch unterschiedliche Lichtfunktionen abgerufen werden können.
[8.2 KOBAYASHI, 2002] und [8.9, KOITO, 1998] stellt ein Projektionssystem mit zweige-
teilten Walzenhälften vor, die je nach Drehstellung eine unterschiedliche Form der Hell-
Dunkel-Grenze ermöglichen.
Bei einem Scheinwerfersystem in Lichtleittechnik werden von einer zentralen Lichtquelle
über Lichtleiter und optische Schalter verschiedene Auskoppelelemente angesteuert. Durch
Überlagerung der einzelnen Lichtfunktionen wird die gewünschte resultierende Lichtvertei-
lung erzeugt. Als Auskoppelelemente werden Fresnellinsen, planparallele und rotationssym-
metrische „Kartovale“ verwendet. Die Namensgebung des Kartoval setzt sich begrifflich aus
den darauf basierenden Optikelementen von kartesischen Ovalen zusammen [8.2, EICH-
HORN, 1998].
Die Idee einer frei programmierten Lichtverteilung wird in den Arbeiten von [8.2,
BOERSCH, 1999] und [8.2, ENDERS, 2001; 8.2, PAL2001, ENDERS; 8.9, OSRAM, 1999]
beschrieben. Mit mikromechanischen Spiegeln, „Digital Micromirror Device“, lässt sich die
Lichtverteilung nahezu frei programmieren. Mehrere Schutzrechtsveröffentlichungen [8.9,
BOSCH, 1997; 8.9, OSRAM, 1999; 8.9, BOSCH, 2000-2; 8.9, ICHIKOH, 2004] zeigen
ebenfalls die Erzeugung von Lichtverteilungen mit Mikrospiegelarrays auf. LCD-
Scheinwerferlösungen und Hologramme zur Lichtverteilungsbeeinflussung werden in den
Schutzrechtsveröffentlichungen, [8.9, BOSCH, 1999-1; 8.9, ÖSZOY, 2000] und [8.9, AL,
2001], [8.9, BOSCH, 2001] beschrieben. Scannend erzeugte Lichtverteilungen werden in [8.9,
SOARDO, 1995]und in [8.9, HELLA, 2005] dargestellt. Einem Flexprisma ähnliche Anord-
nungen sind in Scheinwerfer und teilweise in Leuchten u.a. in [8.9, BOSCH, 1995-1], [8.9,
BOSCH, 1996], [8.9, AL, 2001] und in [8.9, DC, 2000]; [8.9, HELLA, 2000-1], [8.9,
VALEO, 1998-6]; [8.9, VALEO, 1999]; [8.9, VALEO, 2001] zu finden.
Darüber hinaus sind zahlreiche Erfindungsmeldungen zu Videoprojektoren in der Patentlitera-
tur zu finden, u.a. [8.9, ZEISS, 2001; 8.9, NEC, 2000-1; 8.9, NEC, 2000-2; 8.9, EPSON,
2000; 8.9, EPSON, 2003].
Alternative Anwendungen für DMD-Arrays werden in [8.2, DUDLAY, 2005] vorgestellt.
AFS-Scheinwerfer sind in [8.2, OPEL, 2005]; [8.2, SAE 2005, DECKER]; [8.2, SCHAAL,
2003]; [8.2, SAE 2000, HOGREFE]; [8.2, PAL 2001, KALZE] u.a. zu finden.
Die LED-Scheinwerfer werden in [8.2, SCHIERMEISTER, 2003], [8.2, VALEO, 2005]; [8.2,
HELLA, 2005]; [8.2, ISAL 2005, HAMM]; [8.2, GÖTZ, 2004]; [8.2, ISAL 2005, GÖTZ];
[8.2, ISAL 2005, CEJNEK]; [8.2, ISAL 2005, ALBOU] beschrieben.
2.11.2 Kurvenlicht-Scheinwerfer
Bereits im Vorfeld der 2003 umgesetzten gesetzlichen Bestimmungen für das dynamische
Schwenken des Abblendlichts zeigte sich in der Patentliteratur eine Häufung an Lösungen für
das dynamische Kurvenlicht. Angefangen von bereits erwähnten historischen Beispielen von
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ECHNIK
27
Lecoq, Tucker, Citroën, und anderen Herstellern für geschwenktes Fernlicht, werden diese
Lösungen ergänzt durch geschwenkte Linsen [8.9, VALEO, 1998-4], [8.9, ZIZALA, 2001],
bewegte Spiegel [8.9, VALEO, 1998-5] oder bewegte Reflektorbereiche [8.9, VALEO, 1995],
[8.9, STANLEY, 1998-3], [8.9, STANLEY, 1998-2], [8.9, STANLEY, 1998-1], [8.9,
HONDA, 2001], [8.9, BOSCH, 1995-3], [8.9, BOSCH, 1995-2], [8.9, VW, 2002], [8.9,
AUDI, 2003], [8.9, ISAL 2005, KÖRSTEN]. Alternativ kann das gesamte Projektionssystem
geschwenkt werden. [8.9, AL, 2003]; [8.9, BOSCH, 2000-1]; [8.9, BMW, 1999]; [8.9,
HELLA, 2000-2]; ]; [8.9, KOITO, 2005]; [8.9, PORSCHE, 2001]; [8.9, VISTEON, 2004];
u.a..
In [8.2, LÖBIG, 2004] werden für ein schwenkendes Scheinwerfersystem ein Schwenkinter-
vall von +/- 15° angegeben, bei einer Schwenkwinkelauflösung von 1/40° und einer Verstell-
geschwindigkeit, die in einem Bereich von 1 bis 30 °/s variiert werden kann. Das Schwenken
des Scheinwerfers erfolgt situations- und geschwindigkeitsabhängig in Abhängigkeit der
Lenkbefehle des Fahrers. Über eine Plausibilitätsprüfung werden Lenkkorrekturen bei
Seitenwind und gleichzeitig hohen Fahrtgeschwindigkeiten, periodisch nachgeregelte
Lenkbewegungen in engen Kurven oder kritische Fahrsituationen mit z.B. Driften oder
Schleudern abgefangen, sodass diese zu keinen Schwenkbewegungen des Scheinwerfers
führen. Bei stehendem Fahrzeug ist aus gesetzlichen Gründen ein Linksschwenken der
Scheinwerfer nicht zulässig.
2.11.3 Head-up Displays
Die Informationsdarstellung direkt im Blickfeld des Fahrers durch Head-up Displays wird
heute bereits von Cadillac sowie BMW und demnächst auch von Citroën umgesetzt. Audi
möchte im Unterschied zu bisherigen Systemen zur Informationsdarstellung einen Laserstrahl
einsetzen, wodurch höhere Kontraste und schärfere Bilder erzielt werden sollen. In einem
Forschungsprojekt des AUDI „Electronics Research Laboratory (ERL) in den USA wurde die
gesamte Frontscheibe als Projektionsfläche genutzt [8.2, SPIEGEL, 2005-1]; [8.2, MAYER,
2003].
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
28
3 Aufgabenstellung und Lösungssystematik
3.1 Defizite heutiger Lichtverteilungen und Scheinwerfer
Heutige Scheinwerferlichtverteilungen können nur in einem begrenzten Maß den Fahrer in
seiner Wahrnehmung unterstützen. Der erzielbare Fahrkomfort ist ebenfalls eingeschränkt, da
die Lichtverteilungen nur die Wahl zwischen dem Abblend- und dem Fernlicht sowie optional
dem Nebellicht offerieren. Da das bei ca. 95% der Nachtfahrten eingesetzte Abblendlicht nur
einen schlechten Kompromiss aus maximaler geometrischer Reichweite und damit ermöglich-
ter Erkennbarkeitsentfernung und begrenzter Blendung für den Gegenverkehr darstellt, ist die
Wahrnehmungssicherheit und der Fahrkomfort für den Fahrer in den meisten Fällen der
Nachtfahrt eingeschränkt. Die Erkennbarkeitsentfernung wird bei den heute gefahrenen
Geschwindigkeiten oft überschritten, sodass ein rechtzeitiges Anhalten vor einem erkannten
Hindernis nach Abzug der Reaktionszeit und der Verzögerungsdauer des Fahrzeugs bis zum
Stillstand oft nicht mehr möglich ist. Es besteht daher Handlungsbedarf für die Zukunft. Ein
erster Schritt in der Verbesserung der Verkehrssicherheit bestand in der Einführung des
statischen und dynamischen Kurvenlichts im Jahr 2003. Die AFS-Lichtverteilungen 2006 sind
weitere Schritte in der Steigerung der Sicherheit und des Fahrkomforts im Straßenverkehr.
3.2 Zielstellung an aktive Scheinwerfer
Bei der Ermittlung der Anforderungen an zukünftige Scheinwerfersysteme lassen sich zwei
Hauptanforderungen unterscheiden:
1. die Steigerung der Wahrnehmungs- und Verkehrssicherheit und
2. die Erhöhung des Fahrkomforts.
Werden diese Hauptanforderungen weiter detailliert, so ergeben sich folgende Teilanforde-
rungen:
1 Steigerung der Wahrnehmungs- und Verkehrssicherheit:
1.1 Erhöhung der geometrischen Reichweite des Scheinwerfers und damit Anpassung der
Erkennbarkeitsentfernung des Fahrers an die heute gefahrenen Geschwindigkeiten
1.2 Steigerung der Homogenität der Lichtverteilung und der Verkehrsraumausleuchtung,
um Irritationen durch Lichtberge und dunkle Stellen innerhalb der Lichtverteilung zu
vermeiden
1.3 Reduzierung der Eigenblendung des Fahrers durch Streulicht und ein zu helles Vorfeld
1.4 Reduzierung der Fremdblendung für andere Verkehrsteilnehmer
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
29
1.5 Markierung von Gefahrenquellen im Verkehrsraum
1.6 Variable Anpassung der Lichtverteilung an die horizontale Fahrbahngeometrie (Kurven,
Abbiegungen und Kreuzungen) und an die vertikale Fahrbahntopologie (Kuppen, Sen-
ken)
2 Erhöhung des Fahrkomforts:
2.1 Variable Anpassung der Lichtverteilung an die physiologischen Sehgewohnheiten und
an das Sicherheitsempfinden des Fahrers im Rahmen der gesetzlich zulässigen Mög-
lichkeiten
2.2 Reduktion der Adaptationsanforderungen an den Fahrer im Begegnungsverkehr
2.3 Darstellung von gezielten Informationen innerhalb der Lichtverteilung
Auf der Grundlage der Haupt- und Teilanforderungen an die zukünftigen, Aktiven Scheinwer-
fer-Systeme lassen sich folgende 6 Hauptfunktionsgruppen definieren. Diese sind in Tabelle
3.1 aufgelistet und werden in Kapitel 3.3 genauer erläutert.
Tabelle 3.1: Aufzählung der aktiven Scheinwerferhauptfunktionsgruppen und deren exempla-
rische Anwendungen (HF = Hauptfunktion; NF = Nebenfunktion)
HF: Straßensituationsabhängiges Licht Road situation dependent light AFS+ 1.
Anpassung an Kurven, Einbiegungen, Kreuzungen
Überlandfahrt, Autobahn
Topologie (Berg- und Talfahrlicht / LWR+) [8.2, KUHL, 2004]
Straßenbeleuchtung, Tunnelbeleuchtung
Witterungssituation: Regen, Nebel, Schnee und deren Intensität
HF: Verkehrssituationsabhängiges Licht,
Kollektive Verkehrsraumausleuchtung
Traffic situation dependent light,
collective road illumination
COL 2.
Kollektive Verkehrsraumausleuchtung [8.2, ROSLAK, 2005]
Kolonnen- und Begegnungsverkehr
„Blendfreies“ Fernlicht
HF: Markierendes Licht Marking Light MKL 3.
Markieren von Gegenständen, Verkehrszeichen, anderer Verkehrsteilnehmer
Markieren von Fahrzeugen in Nebelsituationen
Hervorheben der Fahrbahnmarkierungen
visuelle Unterstützung bei der LDW (Lane Departure Warning)
Hervorheben von Gefahrenquellen, z.B. Falschfahrer, verlorene Ladung
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UFGABENSTELLUNG UND
L
ÖSUNGSSYSTEMATIK
30
NF: Fahrerspezifisches Licht Driver Specific Light DSL 4.
Betonung oder Schwächung des Vorfeldes
stärkere Randausleuchtung oder Betonung der eigenen Fahrbahn („Lichtleitfunktion“)
schärfere oder weichere Hell-Dunkel-Grenze
NF: Display Licht bei Nacht Display Light DSY 5.
Navigations- und Telematik-(Verkehrsfluss)-Hinweise,
Geschwindigkeiten, Anhaltewege, Parkabstände
Display für Nightvision (IR-Nachtsicht) mit großem Anzeigefeld
wichtige Meldungen vom Fahrzeug: Reparaturen, Ausfall wichtiger Systeme
Im Stau oder auf Parkplätzen: Autokino, Internetvisualisierung
Begrüßung des Fahrers vor Fahrtantritt und Verabschiedung am Fahrtende
Ermunterung des Fahrers bei Übermüdung zu einer Pause
NF: Kommunikationsfunktion Communication Function COM 6.
Notbremsung, Unfall, Stau, Pre-Crash-Vermeidung
Verbesserung des Verkehrsflusses
Austausch über den Reibkoeffizienten der Fahrbahn
Datenaustausch
3.3 Zukünftige Scheinwerferlichtfunktionen
Die in Tabelle 3.1 genannten Lichtfunktionen sollen hier kurz erläutert werden. Sie sind in
Tabelle 3.2 skizzenhaft dargestellt. Die Hauptfunktionen werden mit HF, die Nebenfunktio-
nen mit NF bezeichnet.
3.3.1 Straßensituationsabhängiges Licht AFS+ [HF]
Im Rahmen des situationsabhängigen Lichts wird nicht nur ein gesamtes Schwenken der
Lichtverteilung vorgenommen, wie das bisher beim dynamischen Kurvenlicht der Fall ist,
sondern die Lichtverteilungen werden genauer der Straßensituation angepasst. Das geschieht
durch eine exaktere Anpassung der Lichtverteilung an den horizontalen Straßenverlauf, d.h.
neben dem Straßenkrümmungsradius werden die Lichtverteilungen an Abbiegungen, an
Verzweigungen, an Kreuzungen, an den Straßentyp, an die Straßenbeleuchtung und an die
Zahl der Fahrspuren in ihrer Breite und Ausrichtung angepasst. Bei der Berücksichtigung der
Straßentopologie wird die Lichtverteilung der Scheinwerfer in einem wesentlich größeren
Winkelintervall, als bisher bei der statischen und dynamischen Leuchtweitenregelung üblich,
gemäß dem vertikalen Straßenverlauf vor dem Fahrzeug geneigt, vgl. dazu auch [8.2, KUHL,
2004].
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
31
3.3.2 Verkehrssituationsabhängiges Licht COL [HF]
Im Falle der kollektiven Verkehrsraumausleuchtung [8.2, ROSLAK, 2005] werden andere
Verkehrsteilnehmer in der eigenen Fahrtrichtung und im Begegnungsverkehr berücksichtigt.
Dabei wird die Relativlage der anderen Verkehrsteilnehmer zum eigenen Fahrzeug bestimmt,
um die eigene und die Gegenverkehrsblendung auf ein absolutes Minimum zu beschränken
und eine räumliche und zeitliche Konstanz der Lichtverteilung zu erzielen. Hierzu werden
andere Verkehrsteilnehmer zonal innerhalb der Fernlichtverteilung ausgeblendet. Die
Fahrzeuge bleiben dennoch sichtbar, da sie in dem unteren Bereich durch eine ständig
vorhandene Abblendlichtverteilung ausgeleuchtet bleiben und dann auch ohne eigene
Fahrzeugbeleuchtung erkennbar sind. Vorteil der verkehrssituationsabhängigen Ausleuchtung
besteht in der Erkennbarkeit des Fahrzeugumfelds, obwohl die Insassen des entgegenkom-
menden Fahrzeugs nicht geblendet werden. Die automatische Ausblendung des Fernlichts
verhindert eine zu starke Blendung des Gegenverkehrs. Das verkehrssituationsabhängige
Licht soll die Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung anheben und so die Häufigkeit der
Anwendung der Fernlichtverteilung in der Praxis deutlich über die bisherige Einsatzdauer von
durchschnittlich ca. 5 % der Gesamtnachtfahrtdauer steigern. Damit wird das Sicherheitsni-
veau bei Nachtfahrten durch eine bessere Orientierung auf der Straße und eine verbesserte
Objektdetektion beim Passieren von entgegenkommenden und vorausfahrenden Fahrzeugen
erhöht. Die kollektive Ausleuchtung ist insbesondere für höhere Geschwindigkeiten bei
Straßen ohne Straßenbeleuchtung, z.B. Autobahnen und vierspurige Bundesstraßen, sinnvoll.
3.3.3 Markierendes Licht MKL [HF]
Beim markierenden Licht werden gezielt Objekte im Verkehrsraum angeleuchtet, die
potenzielle Gefahrenquellen für den Fahrer darstellen, damit dessen Aufmerksamkeit dorthin
gelenkt wird. Das kann über ein lokales Fernlicht oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze der
Abblendlichtverteilung oder ein lokal begrenztes, zeitweises Dunkeltasten von Objekten im
Vorfeld der Fahrzeugausleuchtung erfolgen. Um die Aufmerksamkeit des Fahrers zu erzielen,
kann nicht nur in der zwischen positivem (Fernfeld) und negativem Kontrast (Vorfeld der
Lichtverteilung) liegenden Zone der Tarnung durch ein Pulsieren der Ausleuchtung die
Wahrnehmungswahrscheinlichkeit der Objekterkennung für den Fahrer erhöht werden. In
Nebelsituationen könnten Objekte, die vom Fahrer sonst Übersehen worden wären, gezielt in
den Nebel hineinprojiziert werden. Eine aktive Unfallvermeidung ist insbesondere beim
markierenden Licht die Zielfunktion. Die markierende Lichtfunktion hat gegenüber Head-up-
Displays den Vorteil eines wesentlich größeren Markierungsbereichs und einer direkten
Deckung von Markierung und realer Verkehrssituation. Das Problem der Parallaxe kann dabei
nicht auftreten. Dadurch ist keine gedankliche Übertragung und Interpretation der Information
vom Innenraumdisplay auf die reale Fahrsituation erforderlich. Der Fahrer kann daher sofort
reagieren. Weitere Vor- und Nachteile der Informationsdarstellung von aktiven Scheinwerfern
bei der markierenden und der Displaylichtfunktion werden in [8.8, KAUSCHKE, 2003-1]
vorgestellt.
A
UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
32
3.3.4 Fahrerspezifisches Licht DSL [NF]
Bei dieser Gruppe der Lichtverteilungen soll auf die Wünsche und Bedürfnisse des Fahrers
eingegangen werden. Dieser soll im Rahmen seiner Sehgewohnheiten und seines Fahrkom-
fortempfindens entscheiden können, welche Ausprägungen oder Merkmale einer Lichtvertei-
lung für ihn besonders förderlich sind.
Die Einstellmöglichkeiten der Lichtverteilung dürfen allerdings nur in den gesetzlich
vorgegebenen Rahmenbedingungen erfolgen. Ebenfalls müssen diese auf die physiologisch
sinnvollen Variationsmöglichkeiten beschränkt bleiben, damit der Fahrer aus mangelnder
lichttechnischer Fachkenntnis sich und andere nicht gefährdet. Um die Auswahl zwischen den
verschiedenen Lichtfunktionen zu erleichtern, könnten dem Fahrer eine begrenzte Auswahl
von fest definierten Lichtverteilungsarten vorgegeben werden, die dann ausgewählt werden.
Als Variationsmöglichkeiten könnten dem Fahrer der Gradient der Hell-Dunkel-Grenze, die
Breite der Scheinwerferausleuchtung, die relative Helligkeitsverteilung vom Vorfeld zu der
Gesamtlichtverteilung, die lichttechnische Betonung der Randausleuchtung, eine sehr hohe
Homogenität oder eine verstärkte Betonung der Ausleuchtung der eigenen Fahrbahn u.a.
dienen.
3.3.5 Displaylicht DSY [NF]
Das Displaylicht arbeitet mit der Projektion von Informationen auf die Fahrbahnoberfläche
direkt vor dem Fahrzeug. Es ist als Unterstützung von konventionellen Displaytechnologien
zu sehen, bei denen bisher ein Head-down- oder ein Head-up-Display verwendet wird. Ein
Vorteil der direkten Projektion von Informationen auf die Straße besteht in einem deutlich
größeren Raumwinkel, in dem Informationen für den Fahrer bei Nachtfahrten dargestellt
werden können. Unaufmerksamkeit durch Blickabwendung des Fahrers von der Fahrbahn in
den Innenraum und zurück auf die Straße mit den damit verbundenen Adaptations- und
Akkommodierungsvorgängen, die zur Ermüdung des Fahrers beitragen können, werden
dadurch erheblich reduziert. Bei der Displayfunktion können wichtige Informationen, wie
Geschwindigkeit, Navigationshinweise, Anhaltewege und Sicherheitsabstände eingeblendet
werden. Störungen des Betriebszustandes des Fahrzeuges lassen sich ebenfalls darstellen. Bei
der Gefahr der Übermüdung könnte das Fahrzeug den Fahrer auf eine notwendige Pause
hinweisen. Eine Informationsübermittlung vom Fahrzeug zum Fahrer könnte über die
Displaylicht-Informationsdarstellung erfolgen. Gewisse Einschränkungen der Displayfunkti-
on, die nur bei Nachtfahrten angewendet wird, bei Straßenbeleuchtung, im Kreuzungsbereich
durch die Überlagerung von mehreren Display-Informationen, bei einem Wasserfilm auf der
Straße und bei der gesetzlichen Zulassung sind zu erwarten.
3.3.6 Kommunikationsfunktion COM [NF]
In Arbeiten von DaimlerChrysler [8.2, SCHAAL, 2003] wurde die optische Datenkommuni-
kation über Außenbeleuchtungselemente am Kraftfahrzeug vorgestellt. Die optische Informa-
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
33
tionsübermittlung zum Anzeigen von Notbremsungen, Fahrbahnzuständen oder Daten zum
besseren Verkehrsfluss stehen im Wettbewerb zu funk- und radarbasierten Kommunikations-
und Sensortechniken. Teilweise kann bei der optischen Datenübertragung auf bisherige LED-
Lichtquellen in Heckleuchten zurückgegriffen werden, wodurch die zusätzlichen Kosten im
Vergleich zu funk- und radarbasierten Lösungen kleiner gehalten werden können. Die
Reichweite der Systeme und deren Funktionieren auch bei widrigen Witterungsbedingungen
ist von entscheidender Bedeutung. Die optische Kommunikationstechnik ist dabei auf einen
direkten Sichtkontakt zwischen den Fahrzeugen angewiesen. Für deren Anwendung ist eine
frühzeitige Standardisierung zwischen allen Fahrzeugherstellern erforderlich, damit eine hohe
Marktdurchdringung der Systeme erzielt wird.
Bei den Lichtfunktionen aktiver Scheinwerfer lässt sich eine Priorisierung vornehmen. Die
straßen- und verkehrssituationsabhängige Ausleuchtungen werden zusammen mit dem
markierenden Licht als wichtigste Lichtfunktionen angesehen. Sie sind die entscheidenden
Vorteile aktiver Scheinwerfer. Das fahrerspezifische Licht, die Displayfunktion und die
Kommunikationsfunktion sind dagegen eher untergeordnete Lichtfunktionen, welche die
Vorteile der aktiven Scheinwerfer aber noch weiter verstärken.
Tabelle 3.2: Darstellung unterschiedlicher aktiver Lichtfunktionen
Aktive Lichtverteilung Abkürzung Skizze der Lichtverteilung
Straßensituationsabhängiges Licht
Street Situation Dependent Light AFS+ siehe Beschreibung in Kapitel 3.3.1
Berg- und Talfahrlicht
Hill and Valley Light LWR+
Verkehrssituationsabhängiges Licht –
Kollektive Verkehrsraumaus-
leuchtung
Collective Road Illumination
COL
Markierendes Licht
Marking Light MKL
Displaylicht
Display Light DSY
Fahrerspezifisches Licht
Driver Specific Light DSL siehe Beschreibung in Kapitel 3.3.4
Kommunikationsfunktion
Communication Function COM
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
34
3.4 Lichttechnische Anforderungen an Scheinwerferlichtverteilungen
Scheinwerferlichtverteilungen werden durch folgende Kenngrößen in ihrer Güte bewertet,
siehe Tabelle 3.3:
Tabelle 3.3 nach [8.3, PAL 2001, VÖLKER]
Forderung Gütemerkmal Beschreibende Größe
Optimale Adaptationsbedingungen Leuchtdichteniveau Leuchtdichte L
Optische Führung, Helligkeit etc. Leuchtdichteverteilung L(x,y) in Fahrtrichtung
Streubreite der Ausleuchtung, Seitenaus-
leuchtung Winkelangaben Grad
Ausreichende Homogenität Gleichmäßigkeit g
Hohe Erkennbarkeitsentfernung Reichweite s
Keine Blendung Physiologische und
psychologische Blendung
z.B. Schleier-
leuchtdichte L
S
Hoher Kontrast E
max
/ HV bzw. E
max
/ B50L C
Geringer Farbsaum visuell Relativer SW-Vergleich
Das Gütemerkmal der Homogenität wird ausführlich in [8.3, KLEINKES, 2003] beschrieben.
Die Arbeiten zu dem Leuchtdichteniveau, der Leuchtdichteverteilung, der Erkennbarkeits-
entfernung, teilweise als Sichtweite bezeichnet, und der Blendung werden in [8.3, VÖLKER,
2006] und z.T. in [8.3, KLEINKES, 2003] vorgestellt. In der Arbeit von [8.3, DAHLEM,
2001] werden die Methoden zur Bewertung von Scheinwerferlichtverteilungen vorgestellt.
Das Versuchsfahrzeug war mit einer Vielzahl von konventionellen Scheinwerfern ausgestat-
tet, wobei durch additive Überlagerung die gewünschte Lichtverteilung eingestellt wurde.
Bei den aktiven Scheinwerfern kommen noch zusätzlich folgende Anforderungen an die
Lichtfunktion hinzu, Tabelle 3.4:
Tabelle 3.4: Lichttechnisches Lastenheft aktiver Scheinwerfersysteme
Nr. Kenngröße Einheit Art des Aktiven Scheinwerfers / Umsetzung
Gesamtlichtverteilung – Begrenzung der Lichtverteilung
1.1 Auflösung Pixel / ° horizontal / vertikal
1.2 Aspektverhältnis h:v Höhe zur Breite der Ausleuchtung
1.3 Öffnungswinkel Grad von Stadtlicht / Nebellicht
1.4 Schwenkwinkel Scanner Grad
1.5 geometrische Reichweite m von Fernlicht
1.6 maximale Lichtstärke cd von Fernlicht
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UFGABENSTELLUNG UND
L
ÖSUNGSSYSTEMATIK
35
Anbau / Ausprägung der Lichtverteilung
2.1 Lage der aktiven Lichtfunktion im Vorfeld / im Zentrum der Lichtvertei-
lung / gesamte Lichtverteilung
2.2 Gradient des Vorfeldes cd / ° Adaptationsbedingungen des Fahrers /
Einfluss auf Erkennbarkeitsentfernung
2.3 Kombination mit anderen Lichtver-
teilungen
aktive Gesamtlichtverteilung / Kombination
mit statische(r/n) Grundlichtverteilung(en)
2.4 Zahl der aktiven Scheinwerfer pro
Fahrzeug
Stück 2 aktive Scheinwerfer (SW)
1 aktiv
er Scheinwerfer + 1 konv. SW
1 aktiver Scheinwerfer + 2 konv. SW
2.5 Lichtquelle UHP, D2S, Kurzbogenlampe
2.6 Lichtstrom der Lichtquelle lm integraler Lichtstrom
2.7 Lichtstrom nach der Optik lm Gesamtlichtstrom (ohne Schwächung)
2.8 lichttechnischer Wirkungsgrad % Lampenlichtstrom / SW-Lichtstrom
2.9 Lichtstärke-Verteilungskurven cd
2.10 homogene Verkehrsraumausleuch-
tung
Steigerung der Homogenität im Vgl. zu
bisherigen Scheinwerfern
2.11 Lichtverteilung mit minimalen
Adaptationsanforderungen
Anpassung von Vor-, Mittel- und Fernfeld
an die Verkehrs- und Umfeldsituation
2.12 maximale Erkennbarkeitsweite bei
minimaler Fremdblendung
dynamische Anpassung der geometrischen
Reichweite des SW
2.13 minimale Eigen- und Fremdblen-
dung bei jeder Witterung
Anpassung der Lichtstärkewerte innerhalb
der Lichtverteilung zur Blendungsreduktion
Darstellung von Informationen
3.1 Kontrast an der Hell-Dunkel-Grenze 1:100
3.2 Lichtstärkegradient der HDG cd ATN-Wert, etc.
3.3 Kontrast der Markierungsfunktion
bzw. der Displaylichtdarstellung
C positiver / negativer Kontrast im Vorfeld /
positiver Kontrast im Fernfeld der
Lichtverteilung (Markierungsfunktion)
3.4 Blendung anderen Verkehrspartner lx in 50m Entfernung / durch Markierungsfkt.
3.5 Irritation durch Vorfeldprojektionen subjektive Bewertung bei der Displaylicht-
funktion
3.6 Projektionsfeld der Displayfunktion m² (m) Lage u. Größe der projizierten Information
3.7 Verzerrung der dargestellten Inform. subjektive Bewertung
A
UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
36
Dynamik der Lichtverteilung
4.1 Blinkfrequenz der Markierung Hz z.B. in der Tarnzone der Lichtverteilung
4.2 Wiederholfrequenz der Lichtvertei-
lung / der Darstellung
Hz Scannerfrequenz,
DMD-Spiegelansteuerung,
LCoS-Ansteuerung
4.3 dynamische Homogenität der
Lichtverteilung
kollektive Ausleuchtung, gemeinsame
Ausleuchtung des Verkehrsraums mit
anderen Verkehrsteilnehmern
Je nach Ausführungsform der aktiven Scheinwerfersysteme sollte es möglich sein, die
Leuchtweite der Scheinwerfer per Software einzustellen bzw. nachzuregeln. Die optimale
Erkennbarkeitsentfernung sollte durch eine besser der Fahrsituation angepasste Hell-Dunkel-
Grenze, d.h. eine Nachregelung der Lichtverteilung in vertikaler Richtung, angestrebt werden.
Als Entwicklungslinien sind dabei die kollektive Ausleuchtung des Verkehrsraumes [8.2,
ROSLAK, 2005] und die Anpassung der Ausleuchtung an die Topologie [8.2, KUHL, 2004]
zu nennen.
Über ein horizontales Nachführen der Lichtverteilung kann die Erkennbarkeitsentfernung
auch bei Kurvenfahrten maximiert werden [8.2, EWERHART, 2001-1; 8.2, HOFFMANN,
2003; 8.4, SCHWAB, 2003].
Zukünftige Scheinwerfersysteme müssen sich daran messen lassen, inwieweit sie die Wahr-
nehmungs- und die Verkehrssicherheit als auch den Fahrkomfort steigern. Ihre Adaptivität an
den Fahrer, das Verkehrsgeschehen und die Fahrbahntopologie sind weitere wichtige
Kenngrößen.
Lichttechnische Anforderungen bei der Markierungsfunktion und der kollektiven
Ausleuchtung
Bei der Markierung von Objekten ist neben einer ausgereiften Sensorik darauf zu achten,
inwieweit das entgegenkommende Fahrzeug markiert werden kann. Das kann eine gezielte
Anleuchtung des Objektes oder dessen Umfeldes sein, wobei beim Umfeld senkrecht
stehende Objekte in nicht zu großer Entfernung erforderlich sind, damit überhaupt noch eine
ausreichender, für den eigenen Fahrer wahrnehmbarer Kontrast sichtbar wird. Die Anleuch-
tung von Objekten kann dabei oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze mit lokalem Fernlicht
erfolgen, d.h. in positivem Kontrast. Im Vorfeld der Ausleuchtung ist dagegen der negative
Kontrast zu bevorzugen, da dort die auftretenden Leuchtdichten schon relativ hoch sind und
der erforderliche Kontrast sonst nicht erzielt werden kann. In dem dazwischenliegenden
Bereich kann die ungewünschte Tarnung auftreten. Dieser reduzierten Wahrnehmbarkeit
könnte entweder weiterhin mit negativem oder positivem Kontrast zum Objektumfeld
begegnet werden. Ein Pulsieren des markierenden Objektes wäre ebenfalls möglich und
A
UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
37
sinnvoll, um die Aufmerksamkeit des Fahrers gezielt in die Richtung des markierten Objektes
zu lenken.
Bei der Dunkeltastung von Objekten, die nicht geblendet werden sollen, und im Gegensatz
dazu bei Objekten, die markiert werden, ist zu klären, inwieweit die Objekte als Ganzes oder
in Teilen abgedunkelt bzw. markiert werden. Im Falle der kollektiven Ausleuchtung des
Verkehrsraumes [8.2, ROSLAK, 2005] ist abzuwägen, inwieweit die Objekte als solche in
ihren ganzen Abmaßen für den Fahrer noch sichtbar bleiben müssen bzw. inwieweit der
entgegenkommende Fahrer das Fahrzeug mit aktiver Scheinwerfertechnik noch erkennen
kann, wenn in seine Richtung, aus Gründen der Blendungsvermeidung, eine zum Erkennen
des Fahrzeugs nicht ausreichende Lichtstärke abgestrahlt wird.
Zwischen einer gezielten Anstrahlung und damit einem frühzeitigen Erkennen von entgegen-
kommenden Fahrzeugen und deren Blendung, d.h deren Sichtbedingungen werden einge-
schränkt, muss ein für beide Seiten tragbarer Kompromiss gefunden werden, damit beiden
Verkehrsteilnehmern weiterhin ein sicheres Führen ihres Fahrzeugs möglich ist. Die Ver-
kehrssicherheit beider Verkehrsteilnehmer muss dabei erhalten bleiben. Diese Überlegungen
sind insbesondere während der Zeit der Markteinführung der neuen aktiven Scheinwerfersys-
teme und der Marktdurchdringung bedeutend.
Die Firma Gentex [8.2, GENTEX, 2004] untersucht den Ansatz des permanenten Fernlichtes,
bei dem durch eine videobasierte Kameraauswertung der Gegenverkehr dunkelgetastet wird.
Diese adaptive Fernlichtausleuchtung wird als Smart Beam® bezeichnet.
Zur Verbesserung der Verkehrssicherheit und zur Erhöhung des Fahrkomforts durch aktive
Scheinwerfer lassen sich folgende Thesen aufstellen:
1. Anhebung einer variablen Hell-Dunkel-Grenze bei gleichbleibender oder geringerer
Blendung für den Gegenverkehr und eine dadurch erzielte, deutlich höhere Erkenn-
barkeitsentfernung für den Fahrer. Die Anhebung der Hell-Dunkel-Grenze geschieht
in Abhängigkeit von der Verkehrs- und Straßensituation.
2. Formung eines „blendfreien“ Fernlichts, bei dem sonst geblendete Verkehrsteilnehmer
gezielt ausgeblendet werden, wodurch die Erkennbarkeitsentfernung weiter optimiert
werden kann.
3. Erhöhung der Erkennbarkeitsentfernung für den Fahrer durch eine angepasste Schärfe
der HDG auf der Gegenfahrbahn und auf der eigenen Fahrbahn.
4. Erhöhung der Lichtstärken unmittelbar unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze, um die
Erkennbarkeitsentfernungen durch einen verbesserten Objektkontrast im Fernfeld der
Lichtverteilung zu erhöhen.
5. Markierung von Gefahrenquellen im Verkehrsraum durch ein lokales Fernlicht
(„Lichthupenfunktion“).
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38
6. Reduktion der Adaptationsanforderungen an den Fahrer im Begegnungsverkehr mit
einem verlangsamt ansteigenden und abfallenden Adaptationsniveau, das durch die ei-
genen variablen Scheinwerfer der jeweiligen Fahrsituation angepasst wird.
7. Darstellung von gezielten Informationen innerhalb der Lichtverteilung. Das kann nur
unter der Einschränkung und Berücksichtigung der Witterungsbedingungen, der Um-
gebungshelligkeit und des Verkehrsaufkommens erfolgen.
8. Hochdynamische Leuchtweitenregelung über das aktive Scheinwerfersystem, um
Fahrdynamikbewegungen auszugleichen.
3.5 Anforderungsanalyse des Scheinwerferumfeldes / der Sensorik
Für die zukünftigen adaptiven und aktiven Scheinwerferlichtverteilungen ist es erforderlich,
dass neben der Fahrzeugsituation auch das Fahrzeugumfeld, das Fahrzeugvorfeld, das
zwischen Fahrzeugvor- und -fernfeld liegende Fahrzeugmittelfeld und das Fahrzeugfernfeld
detektiert werden. Nur so lassen sich neben den fahrerspezifischen Lichtverteilungen und der
Displayfunktion, die weitgehend ohne Sensorik auskommen, auch eine verkehrs- und
straßensituationsabhängige Beleuchtung und ein markierendes Licht realisieren. Zur Detekti-
on des Fahrzeugumfeldes müssen geeignete Sensoren eingesetzt werden: Als Sensoren
kommen hier RADAR- und LIDAR-Sensoren für den Fernbereich, IR-Laser-Scanner und
Kamerasysteme für den Mittel- und Nahbereich in die nähere Auswahl (Tabelle 3.5).
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UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
39
Tabelle 3.5: Übersicht über Sensorsysteme und deren Eigenschaften [8.4, ROSLAK, 2005]
Sensorprinzipien
Benötigte Messeigenschaften
77 GHz
Radar
(Fern)
Lidar
.
(Fern)
24 GHz
Radar
(Nah)
Video
Sensor
(Nah)
Laser
Scanner
(Nah)
große Reichweite ● ● ●
großer horizontaler Öffnungswinkel
(Abdeckung der ganzen Fahrbahnbreite) ● ○ ●
Ermittlung der Objektgeschwindigkeit im Messbe-
reich: -180km/h...360km/h ● ● ● ●
große Entfernungsauflösung, -genauigkeit ● ● ● ●
große Geschwindigkeitsauflösung, -genauigkeit ● ● ● ●
großer vertikaler Öffnungswinkel ● ●
Leistungsfähigkeit (Objektgestalt, -abmessung) ● ●
kurze Messzykluszeit (Erkennungszeit neuer Objekte) ○ ○ ● ●
Mehrzielfähigkeit ● ● ● ● ●
Erfassung bei gekrümmter Fahrbahn (Kurvenfahrt) ○ ○ ● ● ●
Witterungsunabhängigkeit ● ○ ● ○
Detektionsrobustheit beim Erkennen verschiedener
Verkehrsteilnehmerarten ○ ○ ○ ● ●
● Forderung wird von dem jeweiligen Sensorprinzip gut erfüllt; ○ Forderung wird von dem jeweiligen Sensorprinzip bedingt erfüllt
Die Auswertung eines IR-Nachtsichtsystems könnte als Ergänzung zu rein im VIS-Bereich
arbeiteten Kamerasystemen dienen. Das ist insbesondere bei größeren Entfernungen für die
Erkennung anderer Verkehrsteilnehmer wichtig. Insbesondere schwächere Verkehrsteilneh-
mer mit keiner oder einer eigenen Fahrzeuglichttechnik geringer Lichtstärke, d.h. Fußgänger,
Radfahrer und andere Zweiradfahrer, können dadurch früher erkannt werden.
Eine ausschließlich videobasierte Sensorik, die nur das sichtbare Licht ohne die IR-Strahlung
verwendet, ist für große Entfernungen eher ungeeignet, da Videokameras große Beleuch-
tungsstärken erfordern, die bei Nachtfahrten durch die eigene Scheinwerferlichtverteilung
nicht gegeben sind. Der Übergang von CCD- auf CMOS-Kameras hat die Empfindlichkeit
der Videokameras zwar erhöht, dennoch besteht die Gefahr der Übersteuerung bei entgegen-
kommenden Blendquellen. Zur Auswertung der Video-Sensorsignale ist eine hohe Auflösung
für eine sichere Bildauswertung erforderlich. Da die Chip-Auflösung der Kamera begrenzt ist,
muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen einem breiten Erfassungswinkel der
Kamera und einer hohen Auflösung des Kamerabildes in großen Entfernungen. Je nach Wahl
der Breite der Kamerabilder kann es teilweise erforderlich sein, die Kamera dem Straßenver-
lauf nachzuführen. Werden Kameras mit einer hohen Auflösung verwendet, so besteht die
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40
Anforderung der Verarbeitung von großen Datenmengen in Echtzeit, um daraus die Objekte
für die gezielte Anleuchtung durch markierendes Licht herauszufiltern. Dabei muss eine
Klassifikation und Hierarchisierung der Objekte vorgenommen werden, damit der Fahrer
nicht durch unnötig viele, teils auch irrelevante, gezielt angeleuchtete Objekte verwirrt wird.
Treten mehrere Gefahrenquellen gleichzeitig auf, so muss das System der Bildauswertung
und der gezielten Markierung in der Lage sein, diese Objekte gleichzeitig oder in kurzer
Sequenz hintereinander dem Fahrer mitteilen zu können.
Vorteilhaft ist eine Sensorfusion. Bei der Sensorfusion werden Sensorsignale aus verschiede-
nen Sensorsystemen kombiniert und gemeinsam ausgewertet, wodurch die spezifischen
Vorteile der Sensorsysteme für eine höhere Informationssicherheit der Sensorsignale ausge-
nutzt werden können. Der entscheidende Ansatz bei der Sensorfusion besteht darin, dass die
einzelnen Sensoren die detektierten Objekte jeweils an eine zentrale Auswerteeinheit
übergeben und die verschiedenen Sensoren sich in Reichweite und Auflösung gegenseitig
ergänzen. Dadurch wird ein möglichst weitreichendes und möglichst feinmaschiges Netz an
detektierten Objekten im Fahrzeugvor- und umfeld vorgehalten, das dann je nach ausgewerte-
ter Sensorik immer genauere Aussagen über die anderen Verkehrsteilnehmer, deren Position,
Geschwindigkeit, Breite, Klassifikation, Fahrer- und Beifahrerposition, etc. treffen kann.
Eine photometrische Sensorik sollte mit Sensoren der Entfernungsbestimmung kombiniert
werden, damit gezielt auf Blendung durch entgegenkommende Fahrzeuge reagiert werden
kann. Störgrößen, wie eine erhöhte Umfeldhelligkeit, z.B. hervorgerufen durch die Straßenbe-
leuchtung, Tunnelbeleuchtungen, Tages- oder Witterungsbedingungen könnten dann heraus-
gefiltert werden. Eine zusätzliche Lokalisierung der entgegenkommenden Blendquellen ist
erforderlich, damit unterschieden werden kann, ob diese für die Ausblendung innerhalb der
eigenen Fahrbahnausleuchtung relevant sind. Nur dann muss die fahrzeugeigene Lichtvertei-
lung darauf angepasst werden. Ein erster Schritt in diese Richtung wurde 1972 mit dem
automatischen Abblenden durch den sogenannten „Lucas Auto-Sensor“ [8.4, SAE 1972,
RAYNER] unternommen. Hierbei besteht der Ansatz darin, dass das wechselseitige Prinzip
der Blendung ausgenutzt wird. Sobald ein anderes Fahrzeug eigene Blendung verursacht, so
wird davon ausgegangen, dass auch die eigene Fahrzeugbeleuchtung den entgegenkommen-
den Verkehrsteilnehmer blendet. Offen bleibt allerdings die Frage, was passiert mit entgegen-
kommenden Fahrzeugen, die bereits vor Erreichen des Sensordetektionsfeldes auf Abblend-
licht umgeschaltet haben? Durch die geringere Lichtstärke der Abblendlichtverteilung werden
diese Fahrzeuge erst spät erfasst, sodass diese Verkehrsteilnehmer zu lange mit Fernlicht
geblendet werden könnten. Darüber hinaus weist eine kamerabasierte, beleuchtungsstärkeab-
hängige Schaltschwelle zwischen Abblend- und Fernlicht bzw. zwischen kollektiver Aus-
leuchtung und Fernlicht den Nachteil auf, dass Verkehrsteilnehmer, die keine eigenen bzw.
nur Scheinwerfer mit geringer Lichtstärke oder nur Signalbeleuchtung haben, nur sehr spät
oder überhaupt nicht detektiert werden. Davon sind z.B. Fahrradfahrer und Fußgänger
betroffen. Daher ist neben der geeigneten Schaltschwelle zwischen Abblend- und Fernlicht
eine Sensorfusion mit anderen Sensoren erforderlich, die diese Ausnahmefälle abdecken und
dafür sorgen, dass diese Verkehrsteilnehmer nicht unnötig stark geblendet werden (z.B. mit
der Kombination eines IR-Nachtsichtsystems)
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
41
Die zukünftigen Lichtfunktionen markierendes Licht und kollektive Verkehrsraumausleuch-
tung sind eng mit der fahrzeugeigenen Sensorik und deren Auswertung verknüpft. Nur wenn
das Fahrzeug besser sehen und auswerten kann als der Mensch, z.B. durch die Auswertung
von IR-Nightvision-Systemen, ist eine zusätzlich markierende Lichtfunktion durch eine
gezielte Anleuchtung von Objekten im realen Straßenraum sinnvoll. Voraussetzung ist eine
Sensorik mit hoher Reichweite, eine schnelle Auswertung und Umsetzung der Sensorsignale
in eine angepasste Lichtverteilung, damit die Lichtverteilung eine höhere Erkennbarkeitsent-
fernung ermöglicht als mit einer normalen Abblendlichtverteilung erzielt wird. Nur dann hat
der Fahrer einen aktiven Sicherheitsgewinn, indem er frühzeitig auf Hindernisse reagieren
kann. Ziel muss es dabei sein, die Erkennbarkeitsentfernung von deren Minimum in der
Abblendlichtverteilung möglichst nahe an deren Maximum in der Fernlichtverteilung zu
verschieben. Aktive Lichtverteilungen, wie markierendes Licht und kollektive, blendfreie
Verkehrsraumausleuchtung, sind Lichtfunktionen, die dieses Ziel der Annäherung an die
Fernlichtverteilung anstreben. Der Unterschied der beiden Lichtfunktionen besteht darin, dass
das markierende Licht potenzielle Gefahrenquellen durch gezielte, kurzzeitige Beleuchtung
hervorhebt, um die Aufmerksamkeit des Fahrers darauf zu lenken. Die kollektive Ausleuch-
tung strebt eine Art Fernlicht an, die normalerweise dadurch geblendete Verkehrsobjekte
nicht ausleuchtet. Die Herausforderung besteht dabei in der Auswahl von relevanten Ver-
kehrs- und Gefahrenquellen.
In der Arbeit von [8.4, ROSLAK, 2005] wurde ein LIDAR-Sensor zur Fahrzeugdetektion
eingesetzt. Dieser hat eine hohe Reichweite und ermöglicht anhand der Relativgeschwindig-
keit der Verkehrsobjekte relevante Verkehrsobjekte von unrelevanten zu unterscheiden.
Dennoch hat auch dieser Sensor noch eine zu geringe Reichweite, sodass es vor dem Um-
schalten zwischen Fernlicht und kollektiver Verkehrsraumausleuchtung noch zu einer etwas
erhöhten Blendung kommt. Auch hier zeigt sich, dass die Sensorleistungsfähigkeit den vollen
Nutzen der kollektiven Ausleuchtung bisher begrenzt.
Ein erster Schritt in Richtung einer besseren Ausleuchtung, ohne den Einsatz von noch
leistungsfähigerer Sensorik, besteht in der Ausnutzung der heute in höherer Präzision
gefertigten Scheinwerferlichttechnik, mit der ebenfalls eine etwas verbesserte Ausleuchtung
erzielt werden kann. Dazu könnte der Sicherheitsabstand der Vorneigung der Scheinwerfer
zur Vermeidung von Blendung zum Ausgleich der Toleranzen bei der Scheinwerferfertigung
und -justage und zum Ausgleich von Fahrzeugdynamikvorgängen weiter eingegrenzt bzw.
ganz auf Null gesetzt werden, wodurch die Scheinwerfer eine höhere geometrische Reichwei-
te der Ausleuchtung ermöglichen [8.8, KAUSCHKE, 2003-1]. Hierzu ist nur eine hochdyna-
mische Leuchtweitenregelung erforderlich [8.2, OPGEN-RHEIN, 2003, KFOT].
3.5.1 Vertikale Scheinwerfereinstellung
Für die aktive Lichtfunktion des Berg- und Talfahrlichts, d.h. der straßensituationsabhängigen
Ausleuchtung, ist es erforderlich, die Topologie der Straße im Vorfeld des Fahrzeugs zu
erfassen. Da bisherige GPS-Karten zwar eine Höheninformation aufweisen, aber deren
Datenpunkte zu weit von einander entfernt sind, ist eine fahrzeugautonome Sensorik erforder-
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42
lich. Neben einer Verbesserung der Auswertung der Fahrzeugniveausensoren besteht die
Möglichkeit deren Messverfahren z.B. durch eine Ultraschall-Sensorik zu optimieren. Diese
Maßnahmen haben allerdings den Nachteil, dass sie nur Aussagen über den momentan
Nickwinkel des Fahrzeugs bzw. die vertikale Krümmung der Fahrbahn direkt unterhalb des
Fahrzeugs treffen können. Ein Sensorsystem, das präzise den Fahrbahnverlauf vor dem
Fahrzeug und deren Topologie erfasst, wäre ideal, da dadurch die Scheinwerfereinstellung
den tatsächlich im Vorfeld des Fahrzeugs herrschenden Sichtweitebedingungen angepasst
werden kann.
Eine geeignete Messmethode ist die Triangulation, bei der ein oder mehrere Laserstrahlen
schräg auf die Fahrbahn vor dem Fahrzeug gerichtet werden. Deren Auftreffpunkte werden in
hoher Winkelauflösung erfasst. Basierend auf 3 Auftreffpunkten könnte dann die vertikale
Straßenkrümmung bestimmt werden. Neben der Augensicherheit ist insbesondere die
Auswertung des Signals des am weitesten vom Fahrzeug entfernten Auftreffpunkts unter
unterschiedlichen Witterungsbedingungen und unter Signalstärke-Rauschabstand-Gesichts-
punkten schwierig.
Alternativ könnte eine Videosensorik einsetzt werden, welche die Krümmung der Fahrbahn-
ränder erfasst und diese bezüglich des vertikalen Fahrbahnverlaufs auswertet. Straßen mit
Fahrbahnmarkierungen lassen sich dabei deutlich besser auswerten als Straßen ohne eindeuti-
ge Fahrbahnbegrenzung. Weitere Betrachtungen hierzu sind in [8.2, KUHL, 2004] nachzule-
sen.
3.5.2 Horizontale Scheinwerfereinstellung
Für eine optimierte situationsabhängige Fahrbahnausleuchtung ist eine horizontale Detektion
des Fahrbahnverlaufes und deren Verzweigungen erforderlich. Die bisherige Sensorik mit der
Auswertung des Lenkwinkels, der Blinkerbetätigung, der Ermittlung der Fahrzeuggeschwin-
digkeit, der unterschiedlichen Raddrehzahlen und / oder der Ermittlung der Fahrzeuggierrate
kommen mit der Erfassung des Fahrbahnverlaufes bald an ihre Grenzen, da sie jeweils nur die
eigene momentane Fahrzeugsituation erfassen. Da die Ausleuchtung der Fahrbahn immer den
Bereich zwischen 2 m und 140 m vor dem Fahrzeug betrifft, ist eine vorausschauende
Sensorik wünschenswert. Erste Ansätze in diese Richtung sind die Auswertung von GPS-
Daten über die der zukünftige horizontale Fahrbahnverlauf ermittelt wird. Da diese GPS-
Daten noch keine dafür ausreichende Genauigkeit aufweisen, ist das Fahrzeug immer noch
auf die fahrzeugeigenen Sensoren zur Bestimmung seiner Position innerhalb der GPS-Daten-
Punkte angewiesen.
Neben der Auswertung von GPS-Datensignalen für die größeren Entfernungen vor dem
Fahrzeug ist eine weitere Sensorik für den unmittelbar vor dem Fahrzeug liegenden Bereich
bzw. für nicht kartierte Straßen und Wege oder Baustellen erforderlich. Die videobasierte
Erfassung der Fahrbahnmarkierungen bei kooperativen Straßen (d.h. mit Fahrbahnmarkierun-
gen) und deren Extrapolierung erlaubt mit einer zu weiteren Entfernungen abnehmenden
Wahrscheinlichkeit den erwarteten, zukünftigen Fahrbahnverlauf zu ermitteln [8.4, HÖVER,
2003]. Weist eine Fahrbahn keine Fahrbahnmarkierungen auf, sind diese durch Schnee
A
UFGABENSTELLUNG UND
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
43
abgedeckt oder verschmutzt, durch Baustellenmaßnahmen aufgehoben oder entfernt worden,
kommt auch diese Sensorik teilweise an ihre Grenzen.
3.6 Anforderungsanalyse des mechatronischen Scheinwerfersystems
Ausgehend von den theoretischen Überlegungen werden jetzt die Anforderungen an aktive
Scheinwerfer weiter präzisiert, wobei diese teilweise auf Anforderungen an konventionelle
Scheinwerfern basieren. Zusätzlich sind weitere Anforderungen von Videoprojektoren
abgeleitet worden, welche in der Visualisierung im Büro oder im Homeentertainment Bereich
eingesetzt werden.
Tabelle 3.6: Anforderungsliste an Aktive Scheinwerfer-Prototypen, nach [8.7, TAUBEN-
RAUCH, 2004]. Die Anforderungen wurden teilweise von konventionellen Scheinwerfern
abgeleitet.
Anforderungsliste an Aktive Scheinwerfer-Prototypen (statisch (S) und dynamisch (D) am Fahrzeug)
Anforderungen Quantifizierung Zuordnung
Wichtung
1. Festforderungen
1.1 Geometrie
1.2 Vorneigung
1.3 Dyn. Kurvenlicht
1.4 LWR
1.5 Lichtstrom
1.6 Kontrast
1.7 Lichtfunktionen
1.8 Lichtforderungen
1.9 Flexibilität / Adaptivität
1.10 Elektronikschnittstelle
1.11 Mech. Schutz
1.12 Elektrik
1.13 Sensoranforderungen
1.14 Bordnetzanforderungen
1.15 Lebensdauer
1.16 Vibrationsrobustheit
Anpassung an Scheinwerfer-Serien-Gehäuse
Variabel, 0° bis 2°
+ / - 15°
+2°; -4°
> 1000 lm
1: 100
LB (CL), HB, ML, TL, AWL, dyn. BL, MKL,
COL, DSY, FSL (Rechts- / Linksverkehr)
vgl. Tabelle 2.1 (S.11) und Tabelle 3.1 (S.29)
und Tab. 3.2 (S.33)
vgl. Tabelle 3.3 und Tabelle 3.4 (S.34ff)
(sehr) hoch vgl. Tabelle 4.3 (S.77)
Ansteuerung über Software und µController
IP 65 durch Einbau in Scheinwerfergehäuse
(230V) 12,5V Bordnetzspannung (+/-2 V)
vgl. Tabelle 3.5 (S.39)
Highspeed-CAN-Bus-Anbindung
10 – 15 Jahre
siehe Scheinwerfer-Spezifikationen
D
S; D
D
(D)
S; D
S; D
S; D
S; D
S; D
S; D
D
(S); (D)
D
D
S; D
(S); (D)
* *
* * *
* *
* * * * *
* * * *
* * * * *
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* * * * *
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* *
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*
* *
* *
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1.17 Betriebstemperatur 0°C bis +50°C (später SW-Spezifikationen) (S); D * * *
2. Mindestforderungen
2.1 Gewicht
2.2 Leistungsaufnahme
2.3 Wirkungsgrad
2.4 Wärmeabfuhr
2.5 Leuchtmittel
2.6 Anzahl der optischen
Elemente
2.7 Werkstoffe
< 3 kg ohne Scheinwerfergehäuse
möglichst gering, < 300 Watt insgesamt
> 11%
aktive (passive) Kühlung
UHP Projektorlampe, < 250 W; bzw.
D2S-Lampe kurz, modifiziert
Möglichst gering
Aluminium, Stahl, Kunststoff, Glas
D
S; D
S; D
S; D
S; D
S; D
S; D
* *
* * *
* *
* * * *
* * *
* *
* *
3. Wünsche
3.1 Lichtfunktionen
3.2 Einfacher Aufbau
3.3 Geringe Teilezahl
3.4 Geringe Bauteilkomple
xität
3.5 Hohe Betriebssicherheit
3.6 Kostenoptimierung
3.7 Geringe Lichtstromver-
luste
3.8 Mechanische Robustheit
3.9 Gute Zugänglichkeit /
Wartung
3.10 Justierbarkeit /
Untersuchung variabler
Optikanordnungen
3.11 Gutes Erscheinungsbild
/ Design
ECE-, SAE-Zulassung, DRL, z.T. dyn. BL,
FFL, stat. BL, (COM)
S; D
S; D
S; D
S; D
S; D
(S); D
S; D
S; D
S; D
S; D
D
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* *
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45
3.7 Funktionsanalyse des aktiven Scheinwerfers
Ausgehend von dem Lastenheft in Kapitel 3.6 kann eine Funktionsanalyse der vom Endnutzer
bzw. dem OEM-Kunden gewünschten Lichtfunktionen abgeleitet werden. Diese aktiven
Scheinwerferlichtfunktionen sind in Kapitel 3.3 beschrieben worden. Für die Realisierung
dieser aktiven Lichtfunktionen werden in Kapitel 3.4 die lichttechnischen Anforderungen
zusammengestellt. In Kapitel 3.5 sind die Anforderungen an das Scheinwerferumfeld
aufgelistet worden. Kapitel 3.6 beschreibt zusammenfassend die Anforderungen an das
mechatronische System Scheinwerfer, die in diese Funktionsanalyse des aktiven Scheinwer-
fers münden.
Abbildung 3.1: Vorgehensmodell beim aktiven Scheinwerfer nach VDI 2206
Wie in Abbildung 3.1 dargestellt, wurde bei den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum
aktiven Scheinwerfer nach dem „V-Modell“ der VDI-Richtlinie 2206 [8.1, VDI 2206]
vorgegangen. Dieses V-Modell gliedert sich in eine Analyse- und Planungsphase, der sich
eine Generierungs- und Synthese-Phase anschließt. In der Untersuchungs- und Validie-
rungsphase werden die erarbeiteten Lösungen und Systeme mit der Aufgabenstellung und
dem Lastenheft abgeglichen und evtl. in einer zweiten Entwicklungsschleife nachgearbeitet.
Damit wird sichergestellt, dass die Zielstellung auch erreicht wird.
Neben dem methodischen Vorgehen nach dem V-Modell lässt sich die Art der Lichtvertei-
lungserzeugung unterscheiden [8.8, WALLASCHEK, 2003-1]. Ausgehend von bestehenden
A
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ÖSUNGSSYSTEMATIK
46
Scheinwerfersystemen, Abbildung 3.2, lassen sich, wenn man von deren baulichen Realisie-
rung abstrahiert, drei Arten der Lichtverteilungserzeugung unterscheiden:
1. additive Erzeugung der Lichtverteilungen
Einzelne, unabhängig voneinander ansteuerbare Scheinwerfer erzeugen Lichtverteilungen, die
überlagert werden. Ein solches additiv erzeugendes Scheinwerfersystem kann völlig ohne
bewegliche Teilen auskommen. Neben mehreren Reflektorkammer-Scheinwerfern können
u.a. LED-Arrays auch zu dieser Art der Lichtverteilung gezählt werden.
2. subtraktive Erzeugung der Lichtverteilungen
Ein Teil des Lichtstroms wird ausgeblendet oder abgeschattet z.B. mittels starrer, einge-
schwenkter Blenden, gedrehter Scheiben- oder zylinderähnlicher Walzenkörper bzw. mit
Hilfe von variablen optischen Elementen, Kapitel 4.2; 4.6.1 und Kapitel 4.6.4 bzw. Kapitel
5.2 und Kapitel 5.3.
3. Erzeugung der Lichtverteilungen durch variable optische Elemente
Eine Umverteilung des Gesamtlichtstroms erfolgt mittels variabler optischer Elemente oder
durch ein scannendes System. Das ermöglicht eine örtlich und zeitlich variable Lichtvertei-
lung, die z.B. zeilenweise geschrieben wird, siehe auch Kapitel 4.6.3 bzw. Kapitel 5.5.
Alternativ kann eine Matrix von lichtstromlenkenden Elementen, ein Analoges Mikrospiegel
Array (AMD-Array), Kapitel 4.6.2 bzw. Kapitel 5.4, oder ein einzelnes, flexibles, optisches
Element, z.B. ein Flexprisma, Kapitel 4.6.5 bzw. Kapitel 5.6 eingesetzt werden.
Die Scheinwerfer der ersten Gruppe stellen für jede weitere Lichtfunktion einen zusätzlichen
Lichtstrom zur Verfügung, der entweder für sich alleine die gesamte Lichtverteilung erzeugt
oder zu einer bereits vorhandenen Grundlichtverteilung (z.B. Stadtlicht) additiv eine weitere
Komponente ergänzt (z.B. statisches Kurvenlicht).
Bei der zweiten Gruppe wird der maximale Lichtstrom für alle zu erzeugenden Lichtfunktio-
nen stets vollständig zur Verfügung gestellt, wobei je nach gewünschter Lichtfunktion ein
Teil des Lichtstroms ausgeblendet und damit in Wärme umgewandelt wird. Eine subtraktive
Lichtverteilung kann z.B. über mechanisch einschwenkbare bzw. starre Blenden, wie beim
Bi-Xenon System erfolgen. Es können aber auch optische Elemente eingesetzt werden, deren
Transmissions- oder Reflexionsgrad von einer angelegten elektrischen Spannung abhängt.
Bei dem Lösungsprinzip der variablen Lichtverteilung kann eine Umverteilung des Gesamt-
lichtstroms dadurch erfolgen, dass Teile des Lichtstroms je nach gewünschter Lichtfunktion
in die jeweils gewünschten Bereiche des Verkehrsraumes gelenkt werden, wobei der Gesamt-
lichtstrom gleich bleibt. Z.B. könnte dabei der ursprünglich oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze
abgestrahlte Lichtstrom des Fernlichtes im Stadtbereich für eine breitere Ausleuchtung des
Verkehrsraumes verwendet werden. Eine spezielle Lösung stellen dabei scannende Systeme
dar, mit denen prinzipiell sehr viele unterschiedliche Lichtverteilungen erzeugt werden
A
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47
können. Dabei wird mit hohen Lichtstärken und hohen Wiederholfrequenzen eine Lichtvertei-
lung z.B. zeilenweise erzeugt, die je nach Größe des Raumwinkels des ausgesandten Licht-
bündels unterschiedlich feingliedrig variiert werden kann. Dabei sind verschiedene Scan-
Strategien denkbar, die Einfluss auf die zeitlich integrierte Lichtstärkeverteilung haben. Das
scannende Lichtbündel muss eine umso höhere Lichtstärke aufweisen, je feingliedriger die
Lichtverteilung gescannt werden soll.
Über die Kombination dieser Prinzipien zur Lichtverteilungserzeugung lassen sich weitere
Scheinwerferbauformen synthetisieren. [8.8, WALLASCHEK, 2003-1].
3.8 Funktionsstruktur
Basierend auf der Funktionsanalyse wird in diesem Kapitel die Funktionsstruktur für den
aktiven Scheinwerfer erstellt, welche die gewünschten aktiven Lichtfunktionen in Haupt- und
Nebenfunktionselemente überführt. Diese werden durch den Energiefluss zwischen dem
Lichterzeugen, dem Lichtformen und der variablen Lichtverteilung miteinander verbunden.
Da eine variable Lichtverteilung erzeugt werden soll, muss der Energiestrom der Lampe nicht
nur gebündelt und geformt werden, sondern über ein variables optisches Element mit einem
Informationsstrom überlagert werden. Dieser Informationsstrom dient dazu, die gewünschte
Lichtverteilung auszuwählen bzw. entsprechend den menschlichen, verkehrstechnischen oder
sensordetektierten Erfordernissen der Fahrsituation anzupassen. In Abbildung 3.2 wird
zunächst die Funktionsstruktur eines konventionellen Reflexions- bzw. Projektions-
scheinwerfers dargestellt. In Abbildung 3.3 ist die Funktionsstruktur eines aktiven Scheinwer-
fers wiedergegeben [8.8, WALLASCHEK, 2003-1]. Die Hauptfunktionen Lichtstrom
erzeugen und Lichtstrom formen sind dabei in ihre jeweiligen Teilfunktionen aufgeteilt
worden. Störfunktionen sind ebenfalls als ableitende bzw. zuleitende Seitenäste angefügt.
Die Funktionsstruktur des aktiven Scheinwerfers kann in mehrere Module, d.h. die Einkop-
peloptik, die Mitteloptik und die Auskoppeloptik, gegliedert werden. Deren Aufbau und
Gliederung werden in den Kapiteln 5.2.2, 5.3.2, 5.4.2, 5.5.2 und 5.6.2 genauer beschrieben
werden.
A
UFGABENSTELLUNG UND
L
ÖSUNGSSYSTEMATIK
48
Abbildung 3.2: Funktionsstruktur eines konventionellen Scheinwerfers (Energiefluss =
durchgezogen, Informationsfluss = gestrichelt)
In Kapitel 4 werden mögliche Lösungselemente in einer Morphologie, in einer Systematik der
Lösungselemente aufgezeigt und bewertet, bevor diese zu ersten Lösungsansätzen kombiniert
werden. Diese werden in Kapitel 5 im Detail vorgestellt, diskutiert und bewertet.
A
UFGABENSTELLUNG UND
L
ÖSUNGSSYSTEMATIK
49
Abbildung 3.3: Funktionsstruktur eines aktiven Scheinwerfers (Energiefluss = durchgezogen,
Informationsfluss = gestrichelt)
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
50
4 Generierung von Scheinwerferkonzepten
4.1 Lösungsgenerierung – Methodik
Im Rahmen dieser Arbeit sind zahlreiche Scheinwerferkonzepte entstanden. Bei der Generie-
rung dieser Konzepte lassen sich mehrere Herangehensweisen unterscheiden [8.1, o.V.
PROJEKTSEMINAR, 2003]
Intuitive Methoden
1. Kreative Methoden
2. Nutzen von Gruppendynamiken
3. Brainstorming (individuelles und Gruppen-Brainstorming)
4. 635-Methode
5. Mindmapping, etc.
6. Diskussion mit Experten und fachfremden Kollegen auf dem Gebiet der Scheinwerfer
Diskursive Methoden
1. Systematische Methoden
2. Nutzen von physikalischen und technischen Effekten
3. Abstraktion von Problemen
In dieser Arbeit fanden beide Methodenklassen, die intuitiven und diskursiven Methoden,
Anwendung. Neben einem individuellen Brainstorming wurden angrenzende Fachdisziplinen,
wie Lichttechnik, Optik, Physik und Mechatronik, danach untersucht, inwieweit sich Licht-
quellen, optische Anordnungen, physikalische Effekte und mechatronische Systeme für den
Aufbau von Scheinwerferkonzepten eignen. In der anschließenden Bewertung dieser Konzep-
te sollen die generierten Scheinwerferideen den Anforderungen der Scheinwerferserie
gegenübergestellt werden.
Die einzelnen Konzepte sind durchnummeriert, um die anschließende Bewertung leichter
durchführen zu können. Unter jeder Konzeptbezeichnung wird eine Klassifikation vorge-
nommen. Der erste Begriff beschreibt das zentrale Element des Konzepts zur Lichtvertei-
lungserzeugung, der zweite Begriff steht für die Art der Lichtverteilungserzeugung und der
dritte Begriff kategorisiert die Art der technischen Umsetzung.
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
51
4.2 Konzeptideenbeschreibung
K1: LED-Scheinwerfer (neue Lichtquellen, additive LSV, lichttechnische Lösung)
Da die LEDs noch einen relativ geringen Lichtstrom aussenden, müssen im Scheinwerfer eine
Vielzahl von LEDs eingesetzt werden. Diese lassen sich in verschiedenen Anordnungen
konfigurieren. Hochleistungs-LEDs werden gezielt einzelnen Linsen und Reflektoren
zugeordnet. Über die Summe der Lichtverteilungen wird die gewünschte Lichtverteilung
erzeugt. Da die Leuchtdichte heutiger LEDs im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen
noch relativ gering ist, sind große Linsendurchmesser und große Reflektorflächen erforder-
lich, die möglichst viel Lichtstrom der LED einsammeln und lichtstark auf die Straße lenken.
Ein großer Vorteil der LED besteht darin, dass der Lichtstrom nur in einen Halbraum
abgestrahlt wird. Der erzeugbare Gradient in der Lichtverteilung ist abhängig von der
seitlichen Begrenzung der Lichtquelle. Da bei LEDs teilweise eine Phosphormasse zum
Verguss verwendet wird, ist je nach Auftragstechnik die Grenze der leuchtenden Fläche der
Lichtquelle nicht genau definiert. Für eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze wird daher eine
integrierte Blende vorgesehen. Die integrierte Blende ist erforderlich, da das blaue Licht der
LED mit einem gelblichweißen Konvertierungsphosphor teilweise in weißes Licht überführt
wird und ohne Blende benachbarter Phosphor aufleuchten würde.
Mit einer freien Konfiguration und gezielten Anordnung der LED-Chips in einem Array lässt
sich die gewünschte Lichtstärkeverteilung als Intensitätsgefälle innerhalb der Lichtverteilung
durch die gezielte Platzierung von unterschiedlich lichtstarken LEDs aufbauen. Eine direkte
Ansteuerung der LED-Chips ermöglicht die ausgesandte Lichtstärke pro Chip individuell zu
variieren. Da Hochleistungs-LEDs bisher relativ teuer sind, müssen für den Übergang sowohl
von einer Abblend- und Fernlichtverteilung zu den AFS-Lichtverteilungen, wie z.B. Auto-
bahnlicht, Stadtlicht und Schlechtwetterlicht als auch zu den aktiven Lichtverteilungen und
dem dynamischem Kurvenlicht zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. D.h. die Lichtver-
teilung muss als Ganzes oder in Teilen geschwenkt werden, damit die Anzahl der LEDs
minimiert werden kann. Das Schwenken der Lichtverteilung kann dabei z.B. mit einem
Flexprisma optisch erfolgen, das innerhalb dieser Arbeit entstanden ist. Alternativ kann ein
vorgelagerter Spiegel die Lichtverteilung umlenken oder das Gesamtsystem oder auch nur
Teilsysteme kann bzw. können mechanisch geschwenkt werden. Darüber hinaus können
innerhalb eines LED-Arrays die LEDs so einzeln angesteuert werden, dass der Eindruck einer
quasi-geschwenkte Lichtverteilung erzeugt wird. Da die Hochleistungs-LEDs gekühlt werden
müssen und ein Kühlkörper zusammen mit einem Lüfter bisher meist dafür eingesetzt wird,
sollte deren Zahl im Scheinwerfer ebenfalls minimiert werden. Neben einer gewünschten
geringen Bautiefe muss durch die Verarbeitung der LEDs ein geringer Wärmewiderstand
zwischen den LED-Halbleiterchips und dem Kühlkörper gewährleistet werden.
Die standardmäßig verkauften LED-Chips sind mit einer Primäroptik versehen. Bei konventi-
onellen LED-Leuchten wird zur weiteren Modellierung der Lichtverteilung eine Sekundärop-
tik eingesetzt. Werden die LED-Halbleiterchips direkt verarbeitet, so können die Primär- und
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
52
Sekundäroptik zu einer einzigen Optik zusammengefasst werden. Dadurch ist es möglich die
Bauhöhe der LED-Leuchten und –Scheinwerfer erheblich zu reduzieren und gleichzeitig die
Lichtverluste an den Grenzflächen der Optiken zu minimieren. Die Chipdirektverarbeitung ist
dabei sicherlich eine Schlüsseltechnologie, da eine selbstangefertigte Optik wesentlich
genauer an die Chipgeometrien angepasst werden kann. Ein Beispiel für einen ersten LED-
Scheinwerfer wurde auf der IAA 2003 z.B. von der Hella KG vorgestellt und ist hier in
Abbildung 4.2 (links) zu sehen.
K2: Digitale Projektion (digital schwenkbare Mikrospiegel, subtraktive LSV, mikro-
mechanische mechatronische Lösung)
Bei der digitalen Projektion kann ein DMD-Chip (Digitial Micromirror Device) von Texas
Instruments eingesetzt werden. Dieser Chip besteht z.B. aus einer Chipfläche von 14 x 10
mm², die ca. 800.000 Mikrospiegel umfasst, Abbildung 4.1(rechts). Die Gesamtanordnung
eines DMD-Scheinwerfers ist in Abbildung 4.1(links) zu sehen. Mit den Spiegeln des DMD-
Chips (2) kann das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht digital in zwei Endlagen hin- und
hergeschwenkt werden. Eine dieser Endlagen wird als Nutzlichtstellung verwendet, in
welcher der Lichtstrom durch eine Auskoppellinse (3) auf eine Zielprojektionsfläche (4)
abgebildet wird. In der Absorberlichtstellung wird der Lichtstrom auf einen Absorber, eine
matte, schwarze, diffus reflektierende und absorbierende Fläche gelenkt, auf welcher der
Lichtstrom in Infrarotstrahlung umgewandelt wird und von der die Energie als Wärme
abgeführt werden muss.
Abbildung 4.1: Aufbau eines DMD-Scheinwerfers( links) [8.7, MÜLLER 2004];
DMD-Chip (rechts)
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
53
Bei den DMD-Mikrospiegeln wird eine elektrostatische Aktorik über einer SDRAM-Zelle
verwendet, wobei der einzelne Mikrospiegel über die beiden Adresselektroden elektrostatisch
ausgelenkt wird. Der Aufbau der DMD-Mikrospiegel ist sehr kompliziert. Er wird in einem
Multi-Layer-Lithografie-Beschichtungs- und Ätzverfahren hergestellt.
Der Aufbau eines DMD-Spiegel-Arrays ist in Abbildung 4.2 (Mitte) zu sehen. Erste Video-
projektoren mit einem derartigen DMD-Chip wurden 1996 von Texas Instruments in den
Markt eingeführt.
K3: Analoge Projektion (analog schwenkbare Mikrospiegel, LSV mit variablen opti-
schen Elementen, mikromechanische mechatronische Lösung)
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von analog, kontinuierlich schwenkbaren Mikrospie-
geln, die in jeder Winkelposition statisch verharren können. Diese Mikrospiegelarrays werden
als AMD (Analog-Micromirror-Device) bezeichnet, siehe Abb. 4.2 (rechts). Die Lichtlenkung
erfolgt über den AMD-Chip im ersten Strahlengang. Zur Ansteuerung dieser Mikrospiegel
wird bisher eine Vorwärtssteuerung eingesetzt. Eine Regelung ist über eine Positionserfas-
sung der Mikrospiegel möglich. Dies kann z.B. über Laserstrahlen erfolgen, die in einem
zweiten Strahlengang auf den AMD-Chip gelenkt werden und deren Reflexionsbilder durch
eine CCD-Matrix erfasst werden.
Als Antrieb dieser Mikrospiegel können thermoelektrische „Bimaterial“-Elemente, Piezoele-
mente bzw. kann eine elektromagnetische, eine elektrostatische oder eine elektrodynamische
Aktorik bzw. MEM-Aktorik verwendet werden. Exoten wären sicherlich pneumatische oder
hydraulische Lösungen.
Ein kritischer Punkt bei allen Mikrospiegeln ist die Wärmeabfuhr aus den Mikrospiegeln, die
durch das nichtreflektierte Licht erzeugt wird. Insbesondere der Dauerbetrieb ist dabei zu
untersuchen. Die Vibrationsempfindlichkeit der Mikrospiegel ist eine weitere potenzielle
Schwachstelle. Da die Mikrospiegel sehr feine Strukturen haben, müssen sie gegen Staub und
Feuchtigkeit geschützt werden.
Abbildung 4.2: LED-Scheinwerfer [HELLA KG](links); DMD-Spiegelarray-
Aufbau [TI](Mitte); AMD-Aufbau [FG SENSORIK, UNI PADERBORN](rechts)
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
54
K4: Scanner / scannender Scheinwerfer (scannende Makrospiegel / Mikrospiegel, LSV
mit variablen optischen Elementen, mikromechanisch mechatronische Lösung)
Bei dem scannenden Scheinwerfer, Abbildung 4.3, handelt es sich um eine Hybridlösung
einer Lichtverteilung, die aus einer statischen Grundlichtverteilung (1) und einer scannend
generierten Zusatzlichtverteilung (4) besteht. Diese Hybridlösung wird gewählt, um die
dynamischen Anforderungen zu reduzieren.
Bei scannenden Scheinwerfern in Reflexionstechnik kann der Teil der Lichtverteilung, der
klassisch für den 15° Anstieg zuständig ist, für den scannenden Anteil der Lichtverteilung
verwendet werden. Der scannend generierte Teil der Lichtverteilung (4) wird mit einer
Auskoppellinse (2) gebündelt und dann mit Hilfe von zwei Galvanometerscannern (3) und
deren Spiegeln vertikal und horizontal abgelenkt. Mit einer gezielten Ansteuerung der
Galvanometerscanner wird die Scanstrategie und damit die Belichtung bzw. resultierende
Beleuchtungsstärke auf der Straße erzeugt. Die unterschiedlichen Lichtverteilungen werden
durch die Variation des scannenden Lichtverteilungsanteils moduliert. Dabei sind die
Spiegeldynamik, die maximale Scanfrequenz, der ausgekoppelte Lichtstrom und die Licht-
stärke des Scanlichtstrahlenbündels entscheidende Kenngrößen für die Leistungsfähigkeit des
scannenden Scheinwerfersystems.
Reflektor für
Grund-LV
Auskopplung
und Linse
Scanner-
einheit Variable LV
1234
1
2
3
4
Reflektor für
Grund-LV
Auskopplung
und Linse
Scanner-
einheit Variable LV
1234
1
2
3
4
Abbildung 4.3: Aufbau eines scannenden Scheinwerfers [8.7, MÜLLER, 2004]
K5: LCoS-Konzept / LCD-Konzept (LCoS- / LCD-Array mit polarisiertem Licht, subtrak-
tive LSV, elektrostatisch gedrehte nematische Zellen als Reflektor- / Blendenlösung)
Bei dem LCoS-Konzept, Abbildung 4.4, handelt es ich um ein Scheinwerferkonzept, bei dem
das Licht einer Lichtquelle (1) zunächst homogenisiert, polarisiert (2) und dann auf einem
LCoS-Chip (4) konzentriert wird. Der LCoS-Chip ist ein reflektives LCD-Display. Es hat
einen höheren Flächennutzungsgrad als konventionelle LCD-Chips und es kann von seiner
Rückseite her besser gekühlt werden als transmittive LCD-Chips. Über die pixelweise
angelegte Spannung an einzelnen nematischen Zellen kann die Polarisationsrichtung des
einfallenden Lichts gedreht werden. Über einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) (3) wird das
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
55
Licht in zwei Lichtwege aufgetrennt, wobei nur ein Lichtweg (5) zur Generierung der
Lichtverteilung (6) genutzt wird.
Bei dem LCD-Chip (Liquid Crystal Display) oder dem LCoS-Chip (Liquid Crystal on
Silicon) wird in Abhängigkeit von der Drehstellung der Makromoleküle in den nematischen
Zellen polarisiertes Licht, je nach seiner Polarisationsrichtung vom LCD-Chip bzw. vom
LCoS-Chip mit gleichbleibender oder gedrehter Polarisationsrichtung hindurchgelassen bzw.
reflektiert. An jede nematische Zelle kann eine äußere elektrische Spannung angelegt werden,
die eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang der elektrischen Feldlinien hervorruft. In
diesem Zustand können die Makromoleküle die Polarisationsebene des einfallenden Lichts
nicht drehen, wodurch die nematische Zelle optisch sperrt bzw. als eine pixelweise schaltbare
Blende funktioniert. Dadurch kann die gewünschte Lichtverteilung des Scheinwerfers
pixelweise mit der Liquid Crystal-Zelle eingestellt werden.
Um die Effizienz der Polarisation zu steigern, müssen beide linear polarisierten Anteile des
erzeugten Lichts relativ verlustarm genutzt werden. Einer der Anteile wird in seiner Polarisa-
tionsrichtung durch ein λ/2-Plättchen gedreht, um dann mit dem anderen polarisierten
Lichtbündel vereint zu werden. Dichroitische Filter werden eingesetzt, um die unerwünschten
IR- und UV-Anteile herauszufiltern, damit die thermische Belastung des LCD- und LCoS-
Chip möglichst gering ist.
Lichtquelle Polarisator
1 2
1
4
6
3
PBS LCoS PBS Linse
3 4 3 5
2
5
Variable
LV
6
Lichtquelle Polarisator
1 2
1
4
6
3
PBS LCoS PBS Linse
3 4 3 5
2
5
Variable
LV
6
Abbildung 4.4: LCoS-Scheinwerferaufbau [8.7, MÜLLER, 2004]
K6: Zoomlinse (Linsenelement, LSV mit variablen optischen Elementen, variable
Krümmung der Linsenflächen und damit variable Brennweiten)
Bei der Zoomlinse handelt es sich um eine Linse, deren Krümmungsradius und damit die
Brennweite verändert werden kann. Die Berechnung der Bildbrennweite f ’ erfolgt nach
folgender Formel [8.6, SCHRÖDER, 1998]:
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
56
( )
)(11
1
'
12
21
rrndn
rrn
n
f
−⋅+⋅−
⋅⋅
⋅
−
=
f’ = Bildbrennweite einer Linse in Luft, n = Brechungsindex, r
1
= erster Krümmungsradius, r
2
= zweiter Krümmungsradius, d = Dicke der Linse
Die Zoomlinse besteht aus einer Linsenhülle, die mit einem transparenten optischen Medium
gefüllt ist. Alternativ kann die Zoomlinse aus mehreren elastischen Hüllen aufgebaut sein,
ähnlich einer Zwiebel oder der Augenlinse des menschliche Auges, wodurch eine höhere
Formstabilität erzielt wird. Die Linse kann auch aus einer silikonartigen Masse oder einem
transparenten PU-Material gefertigt werden. Bei der Zoomlinse wird durch Variation der
Krümmung der Linse der Abbildungsmaßstab und damit die Breite der Scheinwerferausleuch-
tung variiert. Wichtig ist bei einer verformbaren Linse der Stellbereich der Formvariation und
die Reproduzierbarkeit der Form über die gesamte Lebensdauer des optischen Systems
hinweg. Die Form der Zoomlinse muss auch unter dem Einfluss von Vibrationen erhalten
bleiben. [8.9, DE 4436620 A1, BOSCH 1996].
K7: Flexprisma (variables Linsenelement, LSV mit variablen optischen Elementen,
variabler Prismenwinkel des Optikkörpers sorgt für variablen Ablenkwinkel des
Lichtbündels)
Das Flexprisma stellt eine Optikkomponente dar, deren Prismenwinkel variiert werden kann,
wodurch die Ablenkung des Lichts zur Prismenbasis variabel veränderbar ist. Als Bauformen
sind mehrere Varianten geeignet, die in Kapitel 5.6.2 genauer vorgestellt werden. In der
Literatur sind in [8.6, SCHRÖDER, 1998] und in [8.9, BOSCH, 1995-1] teilweise vergleich-
bare Lösungen bekannt.
Das Flexprisma kann als mögliche Alternative zu geschwenkten Projektionsmodulen angese-
hen werden. Es arbeitet ausschließlich auf optischem Wege. Bauraum für das Schwenken des
gesamten optischen Systems muss nicht vorgesehen werden. Die Dispersion des Lichts muss
bei diesen Anordnungen untersucht und ggf. berücksichtigt und korrigiert werden. Das kann
durch eine geeignete Materialwahl der Optikkörper und / oder teilweise deren Füllungen
erzielt werden. Werden flüssige Medien als Füllung vorgesehen, so muss ein Expansionsbe-
reich für die thermische Ausdehnung des Mediums vorgesehen werden. Ein Einfrieren des
flüssigen Mediums bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes muss vermieden werden.
K8: Schwenkspiegel (dreh- und / oder schwenkbarer Reflektor, LSV mit variablen
optischen Elementen, variabler Reflexionswinkel des Lichtbündels)
Der Schwenkspiegel ist vom Audi Avantissimo-Messe-Prototypen und der Patentliteratur
[8.9, AUDI, 2003] bekannt. Hierbei wird ein rechteckiger Spiegel eingesetzt, der zunächst um
eine horizontale Schwenkachse gekippt wird (horizontale Spiegelaußenkanten oder parallel
dazu verlaufende Achsen). Dadurch kann beispielsweise die Leuchtweitenregelung bei der
vertikalen Ausrichtung eines Lichtmoduls erzielt werden. Durch das zusätzliche Drehen des
Schwenkspiegels um die optische Achse des Lichtmoduls ist ein weiterer Rotationsfreiheits-
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
57
grad gegeben, der für das Schwenken des dynamischen Kurvenlichts eingesetzt werden kann.
Dabei ist zu beachten, dass durch das Drehen um die optische Achse auch die Hell-Dunkel-
Grenze der Anordnung gedreht wird. Es ist daher erforderlich auch wenigstens die Blenden-
ebene, besser das gesamte Lichtmodul um die optische Achse zu drehen.
K9: Lichtquellenbewegung (verschieb- und kippbare Lichtquelle, variable Lichtquelle,
variable Lichtverteilung durch andere Lichtquellenposition)
Bei der Lichtquellenbewegung wird die Lichtquelle innerhalb des Reflektors in ihrer Position
verschoben bzw. geschwenkt, wodurch sich eine modifizierte Lichtverteilung ergibt. Die
Schwierigkeit bei dieser Art der Modifizierung der Lichtverteilung besteht in der Auslegung
des Kompromisses zwischen den beiden oder mehreren Lichtverteilungen, da je nach
Lampenposition sich andere Lichtverteilungen durch die konstante Reflektorform ergeben. In
der Patentliteratur sind z.B. Lösungen von [8.9, BOSCH, 1996-2] und [8.9, STANLEY, 1998-
1] bekannt.
K10: Mehrere Lichtquellen in einem Lampenkolben (mehrere feststehende Lichtquel-
len in einem Reflektor, Lichtquelle, variable Lichtverteilung durch andere Lichtquel-
lenposition)
Bisher werden bei Reflexionsscheinwerfern teilweise Lampen eingesetzt, bei denen sich
mehrere Lichtquellenwendeln in einem Lampenkolben befinden. Z.B. wird bei der H4-Lampe
eine Lampenwendel mit eingebautem Shutter für die Abblendlichtverteilung verwendet. Die
zweite Lampenwendel wird für die Fernlichtverteilung eingesetzt. Die H13-Lampe ist eine
Weiterentwicklung diese Zweiwendellampe. Mehr als zwei Lichtverteilungen lassen sich
durch diese Lichtquellenart aus lampenthermischen Gründen mit einem Reflektor allerdings
nicht erzielen. Bei Gasentladungslampen ist eine solche Lampenkonfiguration bisher nicht
möglich, da an die Gasentladung besondere Anforderungen bezüglich Lampenkolbendruck
und Elektrodenabstand gestellt werden.
K11: Reflektorvariation durch Makrosegmente (kippbare Reflektorsegmente in einem
Reflektor, LSV mit variablen optischen Elementen, mechatronische Lösung)
Bei diesem Scheinwerfer werden Teile des Reflektors durch große, kippbare Segmente
ersetzt, die eine Modifikation der Lichtverteilung ermöglichen. Dieses Lösungskonzept ist
eine makroskopische Variante des AMD-Chips, vgl. K3. Diese Reflektorsegmente können
statisch in beliebigen Winkellagen verharren oder sie werden scannend angetrieben.
K12: Lichtleiterscheinwerfer (Lichtleiter, Umverteilung, additive Lichtverteilung,
Überlagerung von mehreren Lichtverteilungs-Auskoppelelementen, Trennung von Ein-
und Auskopplung )
Der Lichtleiterscheinwerfer besteht aus drei Elementen: Einkopplung, Lichtleiter und
Auskopplung. Über variable Auskoppeleinheiten oder eine Vielzahl von Auskoppelelemen-
ten, die je nach Stellung der Lichtleiter oder eines Umlenkelementes mit Lichtstrom versehen
werden, können verschiedene Lichtverteilungen abgerufen und miteinander überlagert
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
58
werden. Teilweise wird für jede Lichtfunktion ein separates Auskoppelelement vorgesehen.
Kennzeichen der Lichtleiterscheinwerfer ist die Trennung von Lichterzeugung und Lichtum-
verteilung. Im Bereich der Lichtleiterscheinwerfer sind umfangreiche Forschungsaktivitäten
bei der Hella KG [8.2, LÜDER, 2003] durchgeführt worden.
K13: Hologramme (Weißlicht- und Volumenhologramme, LSV mit variablen optischen
Elementen, optische Lösung)
Bisher werden Hologramme mit monochromatischem Licht von Lasern erzeugt. Diese können
je nach Art der Aufnahme mit einem monochromatischen Referenzstrahl oder mit weißem
Licht wieder abgerufen werden. Werden auf einem Hologramm mehrere Lichtverteilungen
abgelegt, so kann je nach Position und Ausleuchtung des Referenzstrahles auf dem Holo-
gramm ein anderer Teil der Lichtverteilung abgerufen werden. Bei Volumenhologrammen ist
es ebenfalls möglich, je nach Lichtrichtung des einfallenden Referenzbündels, ein anderes
Hologramm und damit eine andere Lichtverteilung abzurufen [8.6, PAUL, 1999].
K14: Mikro- / Midioptik-Scheinwerfer (Lichtlenkung mit Mikrostrukturen, Refraktiv,
Diffraktiv, Optische Lösung, mikromechanische Lösung)
Midi soll hier eine Zwischenstufe zwischen Mikro- und Makro-Spiegel- und Linsen-
Anordnungen beschreiben. Das Scheinwerferkonzept besteht aus Multi-Midi-Linsenan-
ordnungen mit starren und flexiblen Mikrolinsen. Diese Midi-Linsenanordnungen sind
teilweise so ausgelegt, dass keine Blenden erforderlich sind. Wird die Mikrointegration noch
weiter vorangetrieben, so können Mikrostrukturen als refraktive Fresnellinsen oder diffraktive
Elemente zur Lichtlenkung verwendet werden [8.2, FSRM, 2002]. Über das Design der
Mikrolinsen kann ein LED-artiges Erscheinungsbild erzeugt werden. Dieses Erscheinungsbild
ist auch mit konventionellen Lichtquellen erzielbar, die z.B. über einen Paraboloidreflektor
das Licht in die Mikrostrukturen einkoppeln. Die Firma Stanley hat mit ihrem „Gattling
Beam“-Scheinwerfer [8.2, PAL2001, STANLEY] dieses Prinzip verfolgt. Auf der Cebit 2004
wurde eine virtuelle Laser-Keyboard-Projektion für PDAs [8.2, IBIZ, 2004] vorgestellt.
Abbildung 4.5: Midi-Optikscheinwerfer mit Paraboloidreflektor-Hinterleuchtung
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
59
K15: Freiformlinse + Shutter (Blende) (FF-Linse, subtraktive Lichtverteilung, teils
Umverteilung, mechatronische Lösung mit bewegter Blende oder bewegter FF-Linse)
Auf einer Freiformlinse werden räumlich getrennt unterschiedliche Lichtverteilungen
platziert, die je nach Stellung einer Ringblende (evtl. mit Lasche) abgerufen werden können.
Diese Ringblende deckt Bereiche ab, die für die Summe der Lichtverteilungen nicht benötigt
werden. Da Linsen grundsätzlich abbildende Elemente sind, ist eine ausschließliche Steue-
rung der Bildhelligkeit durch eine Variation des Blendendurchmessers nicht gewünscht.
Erforderlich ist hierfür eine segmentierte / facettierte Linse, die Teile des Lichtbündels in eine
vorher definierte, feste Lichtrichtung ablenken. Der jeweiligen Linsenkrümmung wird dabei
eine jeweils unterschiedliche Prismenform überlagert, die neben der Abbildung für eine
Strahlablenkung sorgt. In ihrer Summe könnte die Linse als Frei-Form-Linse ausgeprägt sein.
K16: Elektrooptische Halbleiterlinse (Halbleiterlinse, Umverteilung des Lichts, elektro-
optische Lösung)
Die Lichtlenkung erfolgt durch unterschiedliche Brechungsindizes in einer elektrooptischen
Halbleiterstruktur, die je nach angelegter Spannung ihre Brechungszahl ändert. Über eine
Sandwich-Struktur von Halbleiterebenen, siehe Abbildung 4.6 links, können die erforderli-
chen Spannungen für die notwendigen elektrischen Felder reduziert und die Materialkosten
gesenkt werden. Der Nachweis dieses Funktionsprinzips mit „weißem“, breitbandigem Licht
muss noch erfolgen. [8.2, FRAUNHOFER, IPM, 2002], [8.2, HINKOV, 2001]. Nur für
diskrete Ablenkwinkel lässt sich, Abbildung 4.6 rechts, ein 2D-Halbleiterscanner aufbauen.
Da eine Strahlablenkung nur innerhalb der Halbleiterebene erfolgen kann, ist eine sequentielle
Anordnung von um 90° rotierten Halbleiterebenen in einer gefächerter Orientierung erforder-
lich.
Abbildung 4.6: Halbleitersandwich zur Laserstrahlablenkung (links), 2D-Halbleiterscanner
mit teils diskreten Ablenkwinkeln (rechts)
K17: Shutter-Matrix (mechanisch oder elektrooptisch, subtraktive Lichterzeugung,
mikromechanische oder elektrooptische Lösung)
Hierbei wird eine Matrix aus mechanisch / elektrooptisch freischaltbaren Pixelelementen,
siehe Abbildung 4.7, zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilungen verwendet. Die
mechanischen Elemente könnten aus kleinen Klappen oder aus elektrostatisch auf- und
abgerollten Folien bestehen. Bei der elektrooptischen Lösung handelt es sich um elektro-
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
60
chrome Elemente, die je nach angelegter Spannung ihre Farbe ändern und damit ihre Trans-
mission reduzieren bis zu dem Zustand, in dem sie die gesamte auftreffende Strahlung
absorbieren.
Abbildung 4.7: Shutter-Matrix mit mechanisch oder elektrooptisch angesteuerten Blenden /
Pixelelementen
K18: Hängebrückenreflektor (Makro- / Mikrospiegel, LSV mit variablen optischen
Elementen, makromechanische Lösung)
Die Spiegelelemente sind an den beiden Tragseilen einer „Hängebrücke“, siehe Abbildung
4.8, befestigt. Über Zug an den Traversen (Verbindungsseilen) kann die Lage und die
Neigung der Spiegelsegmente variiert werden. Je nach Ausrichtung der Traversenseile können
verschiedene Freiheitsgrade der Mikrospiegel erzielt werden. Denkbar sind dabei Lösungen
mit einem elastischen Tragseil und Lösungen mit einem annähernd längenkonstanten
Tragseil. Die Spiegelelemente, Tragseile und Traversen müssen jeweils unter Zugspannung
gehalten werden, damit die Spiegelelemente eine eindeutige räumliche Lage einnehmen.
Abbildung 4.8: Hängebrückenreflektor mit auf Tragseilen gelagerten Spiegelelementen, die
über Traversen in ihrer Neigung verändert werden können
K19: Drehspiegelreflektor (Makro- / Mikrospiegel, LSV mit variablen optischen Elemen-
ten, makromechanische Lösung)
Für das Tragen der Makro- / Mikrospiegel dient ein mittig angeordnetes Seil, das gleichzeitig
als Drehachse der Spiegel dient. Über Zugseile werden die Spiegel um das Tragseil gekippt
oder je nach angelegter Zugspannung kann die Parabelform der Spiegel, welche durch deren
Gewichtskraft hervorgerufen wird, modifiziert werden. Bei diesem Konzept müssen die
Zugseile der Spiegel ebenfalls unter Zugspannung gehalten werden, damit die Lage der
Spiegel und die resultierende Form des Tragseils eindeutig bestimmt sind. Alternativ können
Makrospiegel, siehe Abbildung 4.9, in einem kartesischen Rahmen gelagert sein, in dem sie
gemeinsam gekippt und geschwenkt werden können.
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
61
Abbildung 4.9: Makrospiegel, die um eine horizontale und jeweils um eine vertikale Achse
gedreht werden können
K20: Membranspiegel (Spiegelmembran, LSV mit variablen optischen Elementen,
werkstofftechnische Lösung / makromechanische Lösung)
Der Reflektor besteht aus einer elastischen Membran, siehe Abbildung 4.10, die in ihrer Form
stetig verändert werden kann. Die Lichtverteilungen werden mit dieser veränderlichen
Membrangeometrie erzeugt. Als Stützstellen und zur Einbringung von Kraft dienen piezo-
elektrische Folien, weitere Piezobiege- und -stapelaktoren oder Nagelkissen mit Linearakto-
ren, die z.B. elektrostatisch oder elektromagnetisch betätigt werden können. Die Herstellung
einer elastischen Verspiegelung für diese Membran stellt eine Herausforderung dar. Die
spiegelnde Beschichtung könnte sich je nach Krümmung der Membran gegenseitig überlap-
pen (Fischschuppenprinzip), wodurch keine unerwünschten Auffaltung entstehen. In der
umgekehrten Bewegungsrichtung könnten in der Verspiegelung Risse auftreten. Mit definier-
ten Sollbruchstellen könnte dennoch eine definierte Lage und Orientierung der einzelnen
verspiegelnden Bereiche erzielt werden. Wird mit einem relativ flachen Lichteinfallswinkel
gearbeitet, könnte die Brechzahldifferenz zugunsten der Totalreflexion auf der Membranspie-
geloberfläche ausgelegt werden, wodurch eine elastische Verspiegelung nicht mehr notwen-
dig ist. Die Verformung der Membran auf Zug kann alternativ auch mit einer Druckdifferenz
zwischen Membranober- und –unterseite erfolgen. In der Literatur sind Membranspiegel mit
einem Durchmesser von 10 mm und einem maximalen Hub von 30µm durch elektrostatische
Auslenkung mit einer Spannung von 300V für die Korrektur von Laserwellenfronten bekannt
[8.2, MOSIS, 2001].
Abbildung 4.10: Spiegelmembranreflektor
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
62
K21: Klappspiegelanordnungen (Austausch von Reflektorsegmenten, LSV mit variab-
len optischen Elementen, teils Austausch, Kippen / Drehen von Makrosegmenten,
makromechanische Lösung)
Neben einem Reflektorgrundsegment für die Grundlichtverteilung (zentral um den Lampen-
kolben angeordnet), können angrenzende Makrosegmente in mehreren Ebenen / Staffelungen
ausgetauscht werden. Das kann über Kippen erfolgen, ähnlich dem Letterwechsel einer
Schreibmaschine, siehe Abbildung 4.11, oder über Drehen von Reflektorsegmenten, die wie
Gondeln in einem Karussell angeordnet sind, dessen Drehachse vertikal, horizontal oder
schräg im Raum orientiert ist.
Abbildung 4.11: Klappspiegelanordnung Prinzip (links), Frontansicht (rechts oben), Drauf-
sicht auf den statischen Mittelteil und die auswechselbaren Seitensegmenten (rechts unten)
K22: Revolver / gestaffelte Linsen (Linsenelemente, Blendenelemente, LSV mit
variablen optischen Elementen, Austausch von starren optischen Elementen bzw.
Blenden, makromechanische Lösung)
Ähnlich wie bei einem Revolver können in einem Magazin, siehe Abbildung 4.12, verschie-
dene Linsen- oder Prismenelemente einzeln angeordnet oder als eine Freiform-Linsen-
Scheibe oder als mehrere Blendenscheiben ausgebildet sein, die über die rotatorische Achse
ausgetauscht bzw. gedreht werden. Die Drehachse des Revolvers ist dabei parallel oder unter
einem zur optischen Achse geneigten, spitzen Winkel angeordnet. Durch die Überdeckung der
Blendenelemente und / oder durch die Kombination der Linsen- und Optikelemente wird die
gewünschte Lichtverteilung erzeugt [8.2, SAE 2003, LELEVE]. In der Veröffentlichung von
Valeo [8.9, EP1197387, 17.4.2002; US 2002-0044451] wird ein Projektionssystem beschrie-
ben, bei dem eine konische Blende um eine Drehachse, die relativ zur optischen Achse nach
unten geneigt ist, gedreht wird. Dabei können je nach Drehstellung der Blendenscheibe an
deren Umfang unterschiedliche Hell-Dunkel-Grenzen abgefragt werden. Das dargestellte
Projektionssystem stellt eine interessante Alternative zum Hella Vario-Xenon-Modul dar.
Eine Weiterentwicklung dieses Projektionssystems mit einer kreisförmig rotierenden Blen-
denscheibe besteht in der Aufteilung der Blendenfunktion auf mehrere unabhängig voneinan-
der ansteuerbare Blendenscheiben. Anstelle der Blendenscheiben können auch optische
Elemente verwendet werden, die je nach Drehstellung eine unterschiedliche Lichtverteilung
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
63
erzeugen. Die optischen Elemente können kontinuierlich als eine FF-Optikscheibe, als FF-
Reflektorsegmente oder als eingesetzte diskrete Optikelemente in einem Träger ausgeführt
werden.
Abbildung 4.12: Revolver-Scheinwerfer in Seitenansicht mit einem, evtl. zwei Magazinen mit
optischen Elementen (Linsen, Prismen, Blenden)(links), Draufsicht auf ein Magazin mit hier
separaten optischen Elementen (rechts)
K23: Totalreflexion aufgehoben durch Kontakt (variables Reflexionselement, LSV mit
variablen optischen Elementen, werkstofftechnische Lösung, makromechanische
Lösung)
Bei einem Prisma bzw. einer Scheibe, die Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion reflek-
tiert, wird die Totalreflexion aufgehoben, indem das Brechungszahlenverhältnis von Glas-
Luft durch eine Materialpaarung mit optisch ähnlichen Dichten ersetzt wird. Dadurch ist es
möglich, die Hell-Dunkel-Grenze innerhalb einer Lichtverteilung zu verlagern, indem je nach
angelegter Kraft ein elastisches Kontaktmedium an ein Prisma gedrückt bzw. abgehoben wird,
wobei sich die Kontaktfläche vergrößert bzw. verkleinert. Als elastisches Medium könnte ein
Silikonkissen oder ein elastisches PU-Kissen dienen. Beide elastischen Werkstoffe sind in der
gewählten Ausführungsform transparent und können dadurch das ausgekoppelte Licht
ableiten, wodurch der Kontrast der erzeugbaren HDG erhöht wird. Die Totalreflexionsebene
des Prismas muss eine Abbildungsebene des Systems sein, damit eine scharfe Abbildung der
in der Totalreflexionsebene erzeugten Hell-Dunkel-Grenze erfolgen kann. Wird diese
Bedingung nicht erfüllt, so ändert die Lichtverteilung nur ihre Gesamthelligkeit in Abhängig-
keit vom ausgekoppelten Lichtstrom. Die Thermik innerhalb des Prismas muss ebenfalls
beachtet werden, damit thermische Spannungen durch lokale Lichtkonzentrationen nicht zu
einer Zerstörung des Prismas führen.
K24: Cartesischer-Taucher-Blende (variables Blendenelement, subtraktive LSV,
fluidostatische Lösung)
In einer Reihe von flüssigkeitsgefüllten Kapillaren befinden sich einseitig verschlossene
Röhren, auch als „Taucher“ bezeichnet, die zum Teil mit einem Gas gefüllt sind und je nach
unterschiedlich anliegendem äußeren Druck in eine andere Höhe aufsteigen bzw. absinken,
sodass eine neue variable Position der HDG erzeugt wird.
G
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64
K25: Flüssigkeitsoptik (Totalreflexion) (variables Optikelement, LSV mit variablen
optischen Elementen, fluidostatische Lösung)
Durch Fluten und Leeren von Kapillaren und anderen Optikkörpern wird die Totalreflexion,
die Brechung bzw. die Absorption / Reflexion an einer Flüssigkeit ausgenutzt, um die HDG
zu erzeugen. Je nach verwendetem Medium lassen sich durch die anderen Verhältnisse bei
den Brechungsindizes neue Optikwege oder Lichtbündelformungen abrufen.
K26: akustooptischer Effekt (variables Optikelement, LSV mit variablen optischen
Elementen, fluidodynamische Lösung)
Mit Hilfe von Schallwellen (Ultraschall) werden Dichteunterschiede im Medium erzeugt, die
eine Beugung des Lichts bewirken. Dieser Effekt könnte auch zur Lichtverteilungsgene-
rierung eingesetzt werden.
K27: Zentrifugenoptik (variables Optikelement, LSV mit variablen optischen Elemen-
ten, fluidodynamische Lösung)
Die Lichtsteuerung erfolgt über Reflexion an einer Flüssigkeitsoberfläche bzw. Brechung an
der Flüssigkeitsoberfläche und Reflexion am Boden einer Zentrifuge. Blenden können
eingesetzt werden, um die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze genauer einzustellen. Über die
Drehzahl der Zentrifuge wird die Krümmung der Oberfläche der Flüssigkeit und damit deren
optische Wirkung auf die Lichtverteilung variiert.
K28: aktive Hydraulik-Blende (variables Blendenelement, subtraktive LSV, fluidostati-
sche Lösung)
Es wird Flüssigkeit über eine Hydraulik in Hydraulikzylinder gepumpt, deren Kolbenober-
kante die Höhe der Hell-Dunkel-Grenze darstellen. Dabei werden mehrere Stempel einge-
setzt, um die Form und Höhe der HDG feingliedriger zu modulieren.
K29: Kapillar-Blende (variables Blendenelement, subtraktive LSV, fluidostatische
Lösung)
Die Adhäsions- und Kohäsionskräfte von Flüssigkeiten und den angrenzenden Gefäßwänden
werden bei diesem Konzept ausgenutzt. Je nach Abstand von Platten / Röhren / Kapillaren
steigt die verwendete Flüssigkeit unterschiedlich hoch. Der Abstand der Platten muss dabei in
unterschiedlichen Zonen der HDG veränderbar sein, damit die Variabilität der HDG gewähr-
leistet werden kann.
K30: Magnetorheologische Flüssigkeiten (variables Optikelement, LSV mit variablen
optischen Elementen, fluido- und magnetostatische Lösung)
Je nach angelegtem Magnetfeld wird die Oberfläche einer magnetorheologischen Flüssigkeit
in ihrer Form verändert. Die Flüssigkeitsoberfläche kann als in seiner Krümmung variabler
Spiegel dienen.
G
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CHEINWERFERKONZEPTEN
65
K31: Kerr- und Pockelszelle (variables Blendenelement, subtraktive LSV, elektrostati-
sche Lösung)
Die optische Aktivität als Wechselwirkung von Licht und Materie kann ebenfalls zur
Lichtstrommodulation eingesetzt werden. Diese tritt praktisch nur bei der Lichtausbreitung in
Richtung der optischen Achse des Kristalls auf. Elektische und magnetische Felder und auch
mechanische Kräfte können in isotropen Substanzen erzwungene Doppelbrechung hervorru-
fen. Beim Kerr-Effekt wird eine optisch isotrope Flüssigkeit, z.B. Nitrobenzol, im transversa-
len elektrischen Feld doppelbrechend. Es werden typischerweise Feldstärken von E ≈ 10
6
V/m
für einen Gangunterschied von ∆=λ/2 benötigt. Beim Pockels-Effekt werden piezoelektrische
Kristalle ohne Symmetriezentrum im longitudinalen elektrischen Feld doppelbrechend. Bei
deuterisiertem Kaliumdihydrogenphosphat sind bei longitudinaler Zelle Halbwellenspannun-
gen von U ≈ 4 kV erforderlich. Beim Cotton-Mouton-Effekt werden Magnetfelder einer
Größe von H ≈ 10
7
A/m senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts bei anisotropen
Molekülen einer Flüssigkeit, z.B. Benzol, eingesetzt. Dieser Effekt ist relativ klein und wird
daher praktisch kaum eingesetzt. Er ist das magnetische Analogon des elektrooptischen Kerr-
Effekts. Der Faraday-Effekt nutzt die Magnetorotation von durchsichtigen isotropen Körpern
im longitudinalen Magnetfeld. Der Verdrehwinkel hängt ab von der Dicke der Substanz, der
Magnetfeldstärke und einer Materialkonstanten (Verdet’sche Konstante) der ferromagneti-
schen Granate seltener Erden.
Alle Effekte haben gemeinsam, dass sie mit polarisiertem Licht und zwei Polarisationsfiltern,
eingesetzt als Polarisator und als Analysator, arbeiten [8.6, HERING, 1997]. Weitere
Informationen zu elektrooptischen und magnetoptischen Effekten und deren Anwendung als
Modulatoren des Lichts lassen sich aus [8.6, PAUL, 1999; HECHT, 2001; HAFERKORN,
2003] entnehmen.
K32: elektrochrome Schichten (variables Blendenelement, subtraktive LSV, elektro-
chemische / elektrodiffusive Lösung)
Elektrische Spannungen an leitenden Glasplatten sorgen durch ihr Feld (Kondensator-
anordnung) für die Diffusion von Makrofarbmolekülen [8.2, CUMMINS, 2000], die beim
Erreichen der Empfängerelektrode zu einem Farbumschlag von transparent zu z.B. blau oder
schwarz führen. Diese elektrochromen Schichten können auch pixelweise angeordnet werden.
Wird eine Kondensatorelektrode verspiegelt, so entsteht ein schaltbarer Spiegel. Der erreichte
Kontrast und die erzielten Schaltgeschwindigkeiten waren bisher, neben möglichen thermi-
schen Problemen, noch nicht ausreichend für einen Kfz-Scheinwerfer-Einsatz [8.2, SAE
2005, STRAZZANTI].
4.3 Bewertung der Scheinwerferkonzepte
Wie Kapitel 4.2 gezeigt hat, lassen sich zahlreiche Lösungskonzepte aus unterschiedlichen
Bereichen der Lichttechnik, Optik, Physik und Technik finden. Diese sind auf deren Anwend-
G
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CHEINWERFERKONZEPTEN
66
barkeit für zukünftige Scheinwerfersysteme zu überprüfen, um zielgerichtet nur die vielver-
sprechendsten Lösungsansätze weiter zu verfolgen.
Die Bewertung der Scheinwerferkonzepte erfolgt in Tabelle 4.1. Diese ist in einen Klassifizie-
rungs- und Bewertungsteil untergliedert.
Zur besseren Übersichtlichkeit des Lösungsraumes lassen sich die generierten Scheinwerfer-
konzepte K1 bis K32 in folgende Gruppen gliedern:
1. mechanische Lösungen
2. fluide Lösungen
3. flexible Lösungen (mit elastischen Elementen)
Die ersten Lösungskonzepte weisen einen unterschiedlichen Systemumfang auf, sodass diese
als Komponenten eines Gesamtsystems oder bereits als vollständiges Gesamtsystem einge-
setzt werden können.
Die technischen und physikalischen Prinzipien sind teilweise wellenlängenselektiv, sodass
diese bisher nur mit monochromatischem Licht Anwendung fanden. Alternativ lassen sich die
Lösungskonzepte mit einem breitbandigen Wellenlängenbereich, d.h. weißem Licht, umset-
zen.
Da für die gewünschten aktiven Scheinwerferfunktionen eine hohe Variabilität erforderlich
ist, wird diese zusammen mit ihrer Dimension und einer Unterscheidung zwischen einer
analogen, kontinuierlichen Verstellmöglichkeit oder einem digitalen Schalten unterschieden.
Das variable Optikelement und die Art der Lichtverteilungserzeugung runden den klassifizie-
renden Teil der Bewertung ab.
Die eigentliche Bewertung wurde mit einer Expertenrunde durchgeführt. Es wurde in
Anlehnung an das Lastenheft in Kapitel 3.4 bewertet: die Variabilität bzw. die Freiheitsgrade
des Scheinwerfersystems, der Bauraum für das Gesamtsystem bzw. die Komponenten, die
Vibrationsunempfindlichkeit, Temperaturunempfindlichkeit, Toleranzen und Reproduzierbar-
keit von Lichtfunktionen, Herstellbarkeit und Fertigung, Innovationsgrad und die Anforde-
rungen an die Ansteuerungselektronik und Elektrik.
Ausgehend von dieser Bewertung der Lösungskonzepte und der Ergänzung durch weitere
Lösungselemente eines morphologischen Kastens in Kapitel 4.4 wird in Kapitel 4.5 die
Kombination der Lösungselemente vorgenommen.
Erklärungen zu Tabelle 4.1:
2-4F = 2 bis 4 „Freiheitsgrade“ / Variabilität je nach Ausführungsform,
d = digital, a = analog,
Ges. oder Komp. (Gesamtoptikkonzept oder Komponente)
LSV-Erzeugung: a = additiv, s = subtraktiv, u=Lichtstrom umverteilt
G
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67
Tabelle 4.1: 1.Klassifizierungsteil der Scheinwerfer-Konzeptideen
Klassifikation KL1 KL2 KL3
KL4 KL5 KL6
Medium der
Lösung
Komponente / Gesamt-
konzept
monochrom. Licht /
„weißes“ Licht
Variabilität, Dimension,
analog / digital
variables Optikelement
LSV-Erzeugung
Nr. Konzept
K1 LED-Scheinwerfer fest Ges. w mittel, 2F, a Lichtquelle a
K2 Digitale Projektion fest Ges. w hoch, 2F, d DMD-Array s
K3 Analoge Projektion fest Ges. w hoch, 4F, a AMD-Array u
K4 Scanner fest Ges. w mittel, 2-4F, a
Scan-Spiegel u
K5 LCoS / LCD-Konzept fest Ges. w hoch, 2F, a LCoS-Array s
K6 Zoom-Linse fest Komp. w gering, 1F, a Optikelement u
K7 Flexprisma fest Komp. w gering, 2F, a Optikelement u
K8 Schwenkspiegel fest Komp. w gering, 2F, a var. Reflektor u
K9 Lichtquellenbewegung fest Ges. w gering, 1F, a Lichtquelle u
K10 Mehrere Lichtquellen in
einem Lampenkolben
fest Ges. w gering, 1F, d Lichtquelle a
K11 Reflektorvariation durch
Makrosegmente
fest Ges. w mittel, 4F, a var. Reflektor u
K12 Lichtleiterscheinwerfer fest Ges. w gering, 1-2F,
a
Optikelement a
K13 Hologramme fest Ges. m gering, 2F, d Hologramm u
K14.1 Mikrooptikscheinwerfer fest Ges. m,
w
gering, 2F, d Mikrooptiken u
K14.2 Midilinsenscheinwerfer fest Ges. w mittel, 2-4F, a
Midilinsen u
K15 Freiformlinse + Shutter fest Ges. w gering, 1-2F,
a
Optikelement
+ Blende
s
K16 Elektrooptische Halblei-
terlinse
fest Komp m,
w
gering, 1-2F,
a
Optikelement u
K17 Shutter-Matrix fest Komp w mittel, 2F, d Blendenmat-
rix
s
K18 Hängebrückenreflektor fest Ges. w mittel, 4F, a var. Reflektor u
K19 Drehspiegelreflektor fest Ges. w mittel, 4F, a var. Reflektor u
K20 Membranspiegel flex. Ges. w mittel, 4F, a var. Reflektor u
K21 Klappspiegelanordnung fest Ges. w gering, 1-3F,
d
var. Reflektor u
K22 Revolver / gestaffelte
Linsen
fest Ges. w mittel, 2-4F, d
Optikelemen-
te / Blenden
u
K23 Totalreflexion durch
Kontakt aufgehoben
flex. Ges. w gering, 2F, d Optikelement s
G
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CHEINWERFERKONZEPTEN
68
Tabelle 4.1: 1.Bewertungsteil der Scheinwerfer-Konzeptideen
Bewertung B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
B8 G1
G2
Variabilität / Freiheits-
grade
Bauraum Gesamtsystem /
Komponente
Vibrationsunem-
pfindlichkeit
Temperaturun-
empfindlichkeit
Toleranzen / Reprodu-
zierbarkeit
Herstellbarkeit /
Fertigung
Innovationsgrad
Ansteuerungselektronik /
Elektrik
Gesamturteil
Rangfolge
Nr. Konzept
K1 LED-Scheinwerfer 2 3 4 2 2 3 3 3 22
5
K2 Digitale Projektion 4 3 3 3 3 3 4 2 25
2
K3 Analoge Projektion 4 3 3 2 3 2 4 2 23
4
K4 Scanner 3 2 3 2 3 3 4 2 22
5
K5 LCoS / LCD-Konzept 4 2 4 3 2 3 4 2 24
3
K6 Zoom-Linse 1 3 2 3 1 2 2 3 17
10
K7 Flexprisma 3 3 3 3 3 3 3 4 25
2
K8 Schwenkspiegel 2 2 3 4 3 4 3 4 25
2
K9 Lichtquellenbewegung 1 3 3 3 2 3 1 3 19
8
K10 Mehrere Lichtquellen in
einem Lampenkolben 0 4 4 4 4 4 1 4 25
1
K11 Reflektorvariation durch
Makroscherben 2 2 3 4 3 3 2 3 22
5
K12 Lichtleiterscheinwerfer
1 2 4 4 4 4 2 4 25
2
K13 Hologramme 1 2 3 4 3 2 4 3 22
5
K14.1 Mikrooptikscheinwerfer
2 3 3 4 4 2 4 3 25
2
K14.2 Midilinsenscheinwerfer 2 2 2 4 3 2 4 2 21
6
K15 Freiformlinse + Shutter
2 2 4 4 3 2 4 3 24
3
K16 Elektrooptische
Halbleiterlinse 2 2 4 3 2 2 4 1 20
7
K17 Shutter-Matrix
3 3 4 3 2 2 3 1 21
6
K18 Hängebrückenreflektor 2 2 1 4 2 1 3 2 17
10
K19 Drehspiegelreflektor 2 2 2 4 2 1 3 2 18
9
K20 Membranspiegel 2 1 3 4 2 2 4 1 19
8
K21 Klappspiegelanordnung 1 0 4 4 4 4 3 2 22
5
K22 Revolver / gestaffelte
Linsen 2 1 4 4 4 4 2 3 24
3
K23 Totalreflexion durch
Kontakt aufgehoben 1 2 4 3 3 3 4 2 22
5
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
69
Tabelle 4.1: 2.Klassifizierungsteil der Scheinwerfer-Konzeptideen
Klassifikation KL1 KL2 KL3
KL4 KL5 KL6
Medium der
Lösung
Komponente /
Gesamtkonzept
monochrom. Licht /
„weißes“ Licht
Variabilität,
Dimension,
analog / digital
Variables Optikele-
ment
LSV-Erzeugung
Nr. Konzept
K24 Cartesische Taucherblende Flüssig Komp. w gering, 2F, a Blendenreihe s
K25 Flüssigkeitsoptik Flüssig Ges. w gering, 1F, d Optikelement u
K26 akustooptischer Effekt Flüssig Komp m gering, 1F, a Optikelement u
K27 Zentrifugenoptik Flüssig Ges. w gering, 1F, a Optikelement
u
K28 Aktive Hydraulikblende Flüssig Komp w gering, 2F, a Blendenreihe s
K29 Kapillarblende Flüssig Komp w gering, 2F, a Blendenreihe s
K30 Magnetorheologische
Flüssigkeiten
Flüssig Ges. w gering, 2F, a Optikelement u
K31 Kerr- und Pockelszelle Fest Komp w gering, 2F, d Optikelement s
K32 elektrochrome Schichten Fest Komp w gering, 2F, a Blenden-
scheibe
s
Tabelle 4.1: 2.Bewertungsteil der Scheinwerfer-Konzeptideen
Bewertung B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
B8 G1
G2
Variabilität /
Freiheitsgrade
Bauraum Gesam
t-
system / Kompone
n-
te
Vibrationsunem-
pfindlichkeit
Temperaturun-
empfindlichkeit
Toleranzen /
Reproduzierbarkeit
Herstellbarkeit /
Fertigung
Innovationsgrad
Ansteuerungselek
t-
ronik
/ Elektrik
Gesamturteil
Rangfolge
Nr. Konzept
K24 Kartesische Taucherblende
2 2 2 2 3 2 4 3 20
7
K25 Flüssigkeitsoptik 1 1 3 2 3 2 4 1 17
10
K26 akustooptischer Effekt 1 2 2 3 2 2 3 1 16
11
K27 Zentrifugenoptik 1 1 1 3 3 1 3 2 15
12
K28 Aktive Hydraulikblende 2 2 3 3 3 1 3 2 19
8
K29 Kapillarblende 2 3 1 2 2 2 4 1 17
10
K30 Magnetorheologische
Flüssigkeiten 1 1 1 3 2 4 3 2 17
10
K31 Kerr- und Pockelszelle 1 2 4 4 2 2 3 1 19
8
K32 elektrochrome Schichten 2 3 4 2 3 3 3 4 24
3
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
70
Tabelle 4.1: Bewertungsskalen der Scheinwerfer-Konzeptideen
B1 B2 B3 B4
Variabilität /
Freiheitsgrade
Bauraum Gesamtsys-
tem / Komponente (je
getrennt bewertet)
Vibrationsunem-
pfindlichkeit
Temperaturun-
empfindlichkeit
4 sehr hoch sehr gering sehr hoch sehr hoch
3 hoch gering hoch hoch
2 mittel mittel mittel mittel
1 gering hoch gering gering
0 ungenügend sehr hoch ungenügend ungenügend
B5 B6 B7 B8
Toleranzen / Reprodu-
zierbarkeit
Herstellbarkeit /
Fertigung
Innovationsgrad Ansteuerungselektro-
nik / Elektrik
4 gering / sehr hoch Großserie sehr hoch sehr einfach
3 mittel / hoch Mittelserie hoch einfach
2 hoch / mittel Kleinserie mittel mittel
1 sehr hoch / gering Einzelstücke gering komplex
0 ungenügend zu hoher Aufwand Serie sehr komplex
Basierend auf der Tabelle 4.1 sind die folgenden Scheinwerferkonzepte nach der Gesamtbe-
wertung G1 und der Rangfolge G2 ausgewählt worden: Neben der Gesamtbewertung G1 war
für die endgültige Auswahl die Bewertung B1, der Grad der Variabilität der Lichtverteilung
bzw. der Freiheitsgrade, und die Bewertung B7, der Innovationsgrad, von großem Gewicht
für die weitere Scheinwerferentwicklung. Die Bewertung B1, Grad der Variabilität stellt
sicher, dass der Scheinwerfer ausreichend viele Freiheitsgrade besitzt, um die zahlreich
geforderten Lichtverteilungen formen zu können. Mit der Bewertung B7, dem Innovations-
grad, wird sichergestellt, dass der Forschungs- und Know-howvorsprung der Konzepte
möglichst lange sichergestellt werden kann. Daher sind die in der Gesamtbewertung gut
dastehenden Konzepte K 8 Schwenkspiegel, K10 Mehrere Lichtquellen, K12 Lichtleiter-
scheinwerfer, K14.1 Mikrooptikscheinwerfer und K15 Freiformlinse + Shutter aufgrund ihrer
begrenzten Freiheitsgrade nicht weiter verfolgt worden. Technologische Risiken bei K32
Elektrochrome Schichten, K14.1 und K15 und die Patentlage bei K8 Schwenkspiegel und in
Teilen bei K22 Revolver /gestaffelte Linse unterstützten die Entscheidung, diese Konzepte
nicht weiter zu verfolgen. Hauptfokus der weiteren Arbeit sind daher die Hauptkonzepte K2
Digitale Projektion, K3 Analoge Projektion, K4 Scanner und K5 LCoS / LCD-Konzept,
basierend auf Ihren Freiheitsgraden und dem Innovationsgrad geworden. Das Konzept K7
Flexprisma wurde als seriennaheres Nebenkonzept ebenfalls weiter verfolgt.
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
71
4.4 Morphologie der Lösungselemente
Nachdem diese Konzeptvorschläge, basierend auf intuitiven Methoden, in Kapitel 4.2
dargestellt und in Kapitel 4.3 bewertet wurden, soll jetzt ein weiterer Lösungskatalog
vorgestellt werden, der den diskursiven Methoden zugeordnet werden kann. Dieser basiert auf
der Effekte-Datenbank der Software TechOptimizer
TM
. Teile daraus sind bereits in den
Diplomarbeit von Steffen und Michels [8.1, MICHELS, 2001] und [8.7, BERHEIDE, 2004]
beschrieben worden.
Abbildung 4.13: Teillösungen des Lichterzeugen [8.7, BERHEIDE, 2004]
D2S D2R D1S D1R
Teillösungen - Licht erzeugen
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
72
Ellipsoid Reflektor
Paraboloid und
Hyberboloidreflektor
Gekreuzte Paraboloid-
Reflektoren
Variation der
Reflektoroberfläche
Paraboloid Reflektor Variation der Reflektorhöhe
Reflektor aus
Kettensegmenten Freiform Reflektor
Drahtgeflecht Reflektor Elastischer Reflektor Nanokristaline Keramiken
Reflektor aus flexiblem
Mehrschichtmaterial
Segmentierter Reflektor
Multiple Lichtverteilungen in
einem Reflektor Doppelter Reflektor
Teillösungen - Licht sammeln
Abbildung 4.14: Teillösungen des Lichtsammelns [TechOptimizer, 2004][8.7, BERHEIDE,
2004], nach[8.1, MICHELS, 2001]
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
73
Magnetfeld bew egt Linse
Totalreflexion unterbricht
Lichtstrahl
Reflexionsw inkel ändert sich
mit der Krümmung Elektro-Optischer Kristall
Komplexe Linsenstruktur Scanner-Spiegel
Linsenform beeinflusst
Brennpunkt
Brechungsindex beeinflusst
Brennpunkt
Konvexer Spiegel
Elektrischer Schalter verteilt
Lichtstrahl Flexible Linse Prismensystem
Prisma Flüssigkeits Prisma
Ausfallw inkel abhängig vom
Einfallw inkel
Brechungsindex ändert
Brechungsw inkel
Axial-Bew egung variiert
Lichtverteilung
Radial-Bew egung variiert
Lichtverteilung variable Piezo-Linse Pockel-Zelle
Spiegel Linsensystem Asphärische Linse Magnetische Oberfläche
Totalreflexion am Prisma Bi-Metall lenkt Spiegel ab Freiformlinse Segmentierte Linse
Teillösungen - Licht lenken
Abbildung 4.15: Teillösungen des Lichtlenkens [TechOptimizer, 2004][8.7, BERHEIDE,
2004], nach [8.1, MICHELS, 2001]
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
74
Abbildung 4.16: Teillösungen der Hell-Dunkel-Grenze formen [TechOptimizer, 2004][8.7,
BERHEIDE, 2004], nach [8.1, MICHELS, 2001]
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
75
4.5 Kombination der Lösungselemente
Ausgehend von der Funktionsstruktur
der aktiven Scheinwerfer in Kapitel
3.8 soll hier eine Kombinationstabel
le
vorgestellt werden, anhand der die
Lösungsele
mente für die aktiven
Scheinwerfer-Funktionalitäten ausge
-
wählt werden können. Da die aktiven
Scheinwerfer dem Nutzer eine
Vielzahl an Lichtvertei
lungen
ermöglichen sollen, ist ein Schei
n-
werfersyste
m erforderlich, das einen
entsprechend hohen Freiheitsgrad
aufweist, der es erlaubt, die Lichtve
r-
tei
lungen gemäß der gewünschten
Licht
funktion zu beeinflussen. Die
Freiheits
grade der Lösungselemente
lassen sich in dieser Lösungstabelle
multiplizieren. Glei
chzeitig sollen die
Gesamtsysteme einen hohen G
e-
samtwirkungsgrad besitzen, der sich
ebenfalls aus dem Produkt der
Einzelwirkungsgrade der Lösung
s-
elemente berechnet.
Tabelle 4.2 zeigt u.a. die Hauptfun
k-
tionen Lichtstrom erzeugen, Lich
t-
strom formen und Lichtstärkeverte
i-
lung formen.
Exemplarisch ist mit durchgezogenen
Pfeilen ein DMD-
Scheinwerfer, mit
gestrichelten Pfeilen ein scannender
Scheinwerfer und mit strichpunktie
r-
ten Pfeilen ein LED-
Scheinwerfer
dargestellt.
Tabelle 4.2, Lösungskombinationen
* ... Abschätzung
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
76
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
77
Aus der Lösungskombinationstabelle 4.2 lassen sich folgende Scheinwerfersysteme herausar-
beiten: Das Produkt der freien Parameter ist ein Maß für die Zahl der Einflussmöglichkeiten
auf die Erzeugung der Lichtverteilung.
Tabelle 4.3: Produkt der freien Parameter und der Wirkungsgrade der aktiven Scheinwerfer
Scheinwerfer-
Konzept
Digitale
Projektion K2
Analoge
Projektion K3
Scanner K4
LCoS-
Konzept K5
Flexprisma K7
Hauptkonzept Hauptkonzept Hauptkonzept Hauptkonzept Nebenkonzept
Produkt der
freien
Parameter
3 x (2 x c x d)
x 3
2n
3 x (e
2
x c x d)
x 3
2n
e
2
x 3
2n
3 x (2 x c x d)
x 3
2n
e
2
theoretisches
Wirkungsgrad-
Produkt (ohne
Lampe)
0,52 0,55 0,73 0,63 0,85
Erklärung c = Breite des Arrays, d = Höhe des Arrays, e = Drehstellungen um eine Achse
(AMD, Scanner) ; n = Zahl der Stützpunkte bei FF-Reflektor
4.6 Konzentration auf 4 Hauptkonzepte (K2-K5) und 1 Nebenkonzept (K7)
Bei der Bewertung der Scheinwerferkonzepte haben sich vier Favoriten, die digitale und
analoge Projektion, der Scanner und das LCoS-Konzept, herausgestellt. Diese zeichnen sich
durch einen hohen Freiheitsgrad in der Gestaltung der Lichtverteilung aus. Zusätzlich sind
diese in hohem Maße innovativ. Als seriennäheres Nebenkonzept wurde das Flexprisma
ausgewählt, das ebenfalls in dieser Arbeit erforscht und beschrieben werden soll.
4.6.1 Digitale Projektion K2
Bei der digitalen Projektion ist das zentrale Element ein DMD-Array, ein Digital MicroMirror
Device der Firma Texas Instruments. Es besteht aus einem Array von z.B. 1024 x 768
Mikrospiegelspalten und –zeilen. Die Mikrospiegel lassen sich jeweils digital um eine
diagonale angeordnete Achse schwenken, die in Abbildung 4.17 durch Torsionsfederbänder
(hinge) angedeutet werden. Die Adresselektroden (address electrode) dienen zur elektrostati-
schen Auslenkung der Mikrospiegel-Gegenelektroden bzw. Joche (yoke). Die Mikrospiegel
weisen nur zwei stabile Endlagen auf, die in der Abbildung 4.17 dargestellt sind und mit
Schaltzeiten <20µs angesteuert werden können. Unter jedem Mikrospiegel befindet sich eine
SDRAM-Zelle, die auf dem CMOS-Substrat angeordnet ist und die je nach angelegter
Spannung den Mikrospiegel in die Nutzlichtstellung oder in die Absorberlichtstellung
auslenkt. In der Nutzlichtstellung wird das Licht von der Lichteinkopplung in die Lichtaus-
kopplung gelenkt. In der Absorberstellung der Mikrospiegel wird das Licht von der Lichtein-
G
ENERIERUNG VON
S
CHEINWERFERKONZEPTEN
78
kopplung auf einen Absorber gerichtet. Dabei wird der umgelenkte Lichtstrom komplett in
Wärme, d.h. in IR-Strahlung gewandelt, die aus dem optischen Gerät abgeführt werden muss.
Abbildung 4.17: Aufbau eines digitalen Mikrospiegelarrays [TI]
In [8.2, Texas Instruments, TI 2001-1] werden Hinweise zur Haltbarkeit der in Dünnschicht-
technologie hergestellten Torsionsgelenke der DMD-Chips gegeben. Durch die Anwendung
dieser Technologie werden Verspannungen im Material an der Oberfläche des Torsionsfilms
abgebaut. Ein Festkleben der Mikrospiegel durch Feuchtigkeit und Van der Waals-Kräfte
wird vermieden durch eine Anti-Haft-Beschichtung und durch kleine Mikrofedern (spring
tip), die Verformungsenergie in den Spiegelendlagen speichern und dadurch die Spiegel bei
ihrer Rückbewegung beschleunigen. Eine Versiegelung der Mikrospiegel in einer trockenen,
staubfreien Atmosphäre verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz und damit
ein Verkleben und eine Blockade. Die Haltbarkeit der Mikrospiegel bei Vibrationsuntersu-
chungen wird durch deren kleine Masse – sie wird in Millionstel Gramm gemessen – und
deren niedrigster Eigenfrequenz begründet [8.2, TI 2001-2]. Die Einwände zu Qualitätsbeein-
trächtigungen der Mikrospiegel durch hohe Kippgeschwindigkeiten und daraus resultierender
Beschädigungen werden durch mittlere Geschwindigkeiten von 40cm/s und Spiegelbewegun-
gen von 2µm in 5µs ebenfalls entkräftet. Die umfangreichen Tests zur Dauerhaltbarkeit der
Mikrospiegel haben Lebensdauern von >100.000h und mehr als 1 Trillion Spiegelschaltzyk-
len nachgewiesen [8.2, TI 2001-2].
4.6.2 Analoge Projektion K3
Im Gegensatz zum DMD-Array handelt es sich beim AMD-Array um ein Mikrospiegelarray,
bei dem die Mikrospiegel nicht nur digital zwischen zwei Endlagen sondern analog in
beliebige Schwenkwinkel bewegt und angehalten werden können. Als Aufbaukonfigurationen
werden Anordnungen mit zwei senkrecht zueinander stehenden Schwenkachsen gegenüber
Anordnungen mit nur einer Schwenkachse bevorzugt. Diese erlauben zwei unabhängig
voneinander stattfindende Schwenkbewegungen der Mikrospiegel, die deutlich mehr Frei-
heitsgrade in der Modellierung der Lichtverteilung erlauben. Im Abbildung 4.18 ist deren
Address
electrode
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ENERIERUNG VON
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prinzipieller Aufbau dargestellt. An der zentralen Spiegelfläche sind an deren Ecken 4 Bi-
Material-Biegeaktoren (schwarze Streifen) angelenkt, die jeweils einzeln verformt werden
können, wodurch ein Neigen der Spiegelfläche um jeweils senkrecht zueinander stehende
Schwenkachsen möglich ist. Weitere Angaben zu den analogen Mikrospiegeln (AMD) sind in
Kapitel 5.4.3 nachzulesen.
Abbildung 4.18: Aufbau eines analogen Mikrospiegelarrays [FG Sensorik, Uni Paderborn]
4.6.3 Scannender Scheinwerfer K4
Der scannende Scheinwerfer erzeugt die Gesamtlichtverteilung durch die Überlagerung einer
statischen Grundlichtverteilung mit einer scannend erzeugten Zusatzlichtverteilung. Die
Zusatzlichtverteilung kann je nach Scanstrategie z.B. zeilenweise, mäanderförmig oder in
elliptischen Scanstrahlbahnen erfolgen. Da die Scanstrategien mit hohen Wiederhol-
frequenzen abgefahren werden, wird vom menschlichen Auge nur die resultierende Belich-
tung bzw. Beleuchtungsstärke wahrgenommen. Der scannende Anteil der Lichtverteilung
wird durch zwei unabhängig voneinander schwenkbare Drehbewegungen eines oder mehrerer
Scannerspiegel abgelenkt, siehe Abbildung 4.19.
Abbildung 4.19: Aufbau einer scannenden Spiegelanordnung
4.6.4 LCoS-Scheinwerfer K5
Der LCoS-Scheinwerfer besteht aus einem reflektiven LCD-Display. Die Entdeckung und
Beschreibung von flüssigen Kristallen erfolgte bereits 1888 durch Prof. Friedrich Reinitzer in
Prag. Ein auf dieser Basis entwickeltes Anzeigegerät entstand erstmals 1918. Im Jahre 1968
Biegeaktor
Mikrospiegel
Elektrische Kontaktierung
Mechanische Anbindung des
Biegeaktors an den Mikrospiegel
Gestellfeste Anbindung des
Biegeaktors auf Substratfläche
1. Scannerspiegel
Umlenkspiegel
2. Scannerspiegel
Lichtquelle
Abbildungslinse für
Zusatzlichtverteilung
Grundlichtverteilung
G
ENERIERUNG VON
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80
wurde die Technik wieder aufgegriffen und bis zum heutigen Stand weiterentwickelt. Die
Bestandteile der Flüssigkeitskristallanzeige (LCoS – Liquid Crystal on Silicon Displays) sind
in Abbildung 4.20 dargestellt.
Glas
Distanzstück
Silizium
Pixel
Schalter
Speicher
Kondensator
ITO Elektrode
LC Schicht
Lichtschutz
Aluminium-Spiegelelektrode
Glas
Distanzstück
Silizium
Pixel
Schalter
Speicher
Kondensator
ITO Elektrode
LC Schicht
Lichtschutz
Aluminium-Spiegelelektrode
Abbildung 4.20: Aufbau eines Liquid Crystal on Silicon Displays [8.2, WU, 2001]
Flüssigkristalle:
Flüssigkristalle bestehen aus organischen Substanzen. Deren Moleküle werden aus zwei oder
mehreren linear verketteten Benzolringen gebildet, an denen gestreckte Molekülgruppen
angelagert sind. Ihre Gesamtgröße beträgt ca. 2nm Länge und 0,5nm Durchmesser. Phenyl-
cyclohexane werden oft in LCDs eingesetzt. Die Kristalle liegen in der Mesophase vor, d.h.
sie befinden sich in einem Temperaturintervall zwischen der Schmelztemperatur T
S
und
unterhalb der Klärpunkttemperatur T
K
[8.6, PEDROTTI, 2002]. In diesem flüssigkristallinen
Zustand besitzen sie sowohl Fließverhalten als auch anisotrope Eigenschaften. In der Me-
sophase werden drei Phasen unterschieden: smektisch, nemantisch und cholesterisch. In der
smektischen Phase weisen die Moleküle alle die gleiche Richtung auf und ihre Schwerpunkte
sind in Schichten gleichen Abstandes angeordnet. In dieser Phase der hohen Viskosität der
Flüssigkeit können die Schichten gegeneinander verschoben werden. In der nemantischen
Phase liegen die Molekülschwerpunkte in für Flüssigkeiten typischer unregelmäßiger
Anordnung vor, die Richtung der Moleküle ist allerdings regelmäßig. Werden nemantische
Phasen geschichtet und schraubenförmig gegeneinander verdreht, erhält man die cholesteri-
sche Phase. Die Ganghöhe g der entstehenden Helix variiert zwischen ca. 0,1 µm und 20µm.
Für LCDs werden Flüssigkristalle in der cholesterischen Phase benutzt. Oft wird diese als
nemantische Phase mit helixförmiger Anordnung (twisted nematic) bezeichnet. Die Dicke der
Kristallschicht in einem LCD beträgt ca. 5µm bis 10µm [8.7, BÜTTNER, 2003].
Glasplatten und Spacer:
Mit Glasplatten, die durch Distanzstücke auf konstanten Abstand gehalten werden, wird die
Flüssigkristallschicht eingeschlossen.
G
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81
Polarisatoren:
Bei konventionellen LCDs sind Polarisationsfilter auf den Außenseiten der Glasplatten
angeordnet. Sie sind orthogonal gekreuzt orientiert und lassen zusammen mit der Flüssigkris-
tallschicht nur bei fehlender äußerer Spannung linear polarisiertes Licht hindurch.
Elektroden:
Die äußere Spannung wird durch auf der Innenseite der Glasplatten angeordnete dünne
transparente Elektroden aus Indium-Zinnoxid (ITO) angelegt. Durch die mit feinen parallelen
Rillen versehene Innenseite der Elektroden werden die länglichen Moleküle parallel zur
Transmissionsachse der Polarisatoren ausgerichtet. Die feinen Rillen werden durch uni-
direktionales Reiben oder Polieren hergestellt.
TFT (Thin Film Transistor) und Black Matrix:
Jedes Pixel des Displays wird durch einen MOSFET-Transistor beschaltet, der von einer
Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode adressiert wird. Mit der Black Matrix werden die
TFTs für den Betrachter verdeckt. Deren Anordnung ist allerdings bei genauer Betrachtung
sichtbar. Die Anordnung der TFTs und der Black Matrix sorgt für einen geringeren Flächen-
nutzungsgrad der LCDs im Vergleich zu den LCoS-Displays.
Liquid Crystal on Silicon (LCoS):
Vor ca. 15 Jahren startete die Firma Philips die Forschung an der LCoS-Technologie, mit der
das Gewicht, das Volumen und der Stromverbrauch von mobilen Systemen verringert werden
sollte [8.2, ZIMMERMANN, 2000]. Im Vergleich zu den DMD-Kippspiegeln von Texas
Instruments wurde ein günstigerer Preis angestrebt. LCoS-Panels sind sehr vielseitig einsetz-
bar. Sie werden in Projektoren, Rückprojektionsfernsehern, optischer Messtechnik, in
adaptiven Beleuchtungen, lithografischen Belichtungssystemen und weiteren Projektionssys-
temen eingesetzt [8.2, FRAUNHOFER IOF, 2002]. Die hohe Auflösung (XVGA bis HDTV),
kombiniert mit der geringen Baugröße und dem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis, zeigt
das Potenzial dieses Systems [8.2, LOEHNEYSEN, 2001]. Der Elektronik-Hersteller JVC hat
eine vergleichbare LCoS-Technologie, die noch ein höheres Kontrastverhältnis aufweist. Sie
wird als D-ILA (Digital-Image Light Amplification) bezeichnet.
4.6.5 Flexprisma K7
Das Flexprisma ist ein variabler Prismenkörper, dessen äußere, optisch aktiven, ebenen
Grenzflächen zueinander in ihrer Neigung variabel eingestellt werden können, Abbildung
4.21. Die Breite der Prismenbasis ist beim Flexprisma abhängig von der Neigung der optisch
aktiven Grenzflächen. Da für eine optische Lichtablenkung das Prisma eine höhere optische
Dichte haben muss als das Umfeld des Flexprismas, ist es erforderlich, dass ein optisch
dichteres Medium zwischen den optisch aktiven Grenzflächen angeordnet wird. Dieses
Medium kann ein Gas, eine Flüssigkeit, eine gelartige Masse oder mehrere Festkörper sein,
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S
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82
deren benachbarte Grenzflächen optisch inaktiv auszuführen sind. Neben parallelen Planflä-
chen lassen sich konzentrische Kugelflächen oder Zylinder- mit Zylinderwannenflächen
einsetzen, die durch ihren geringen Versatz nur für eine leichte Weitung bzw. Bündelung der
Lichtverteilung sorgen.
Abbildung 4.21: Flexprisma mit variabler Neigung der Prismenflächen
4.7 Etendué – Helmholtz-Lagrange’sche Invariante
Bei der Dimensionierung von optischen Systemen ist das Etendué [8.6, GALL, 2004]
(Synonyme sind die Begriffe des geometrische Flusses oder der Helmholtz-Lagrange’schen
Invariante) ein begrenzender Faktor für die Leistungsfähigkeit optischer Systeme. Ausgangs-
punkt der Dimensionierung ist die Lichtquelle, die idealisiert eine Punktlichtquelle darstellt,
in der Realität allerdings als ein ausgedehnter Volumenstrahler ausgebildet ist. Die Abmes-
sung und die Ausdehnung des Lichtquellenbildes wird über die Abbildungsgesetze im
Strahlengang vergrößert. Das hat zur Folge, dass die Leuchtdichte der Lichtquelle nie im
optischen System gesteigert werden kann.
Das Etendué oder der geometrische Fluss beschreibt dabei als Produkt aus strahlender Fläche
und abgestrahltem Raumwinkel, eine Größe, die im optischen System, beginnend von der
Lichtquelle in einem idealen optischen System konstant ist. In der Realität wird das Etendué
durch jede Abbildung der ausgedehnten Lichtquelle sich stetig vergrößern.[8.2, VERBRUGH,
2003]
Projektionsmodul
Halbzylinder-
Flexprisma
Zylinderwannen-
Flexprisma
gemeinsame Dreh-
achse Flexpri
m
sa
S
YNTHESE
83
5 Synthese
5.1 Projektoren
Als Projektoren werden in dieser Arbeit LCoS-Scheinwerfer, DMD-Scheinwerfer und AMD-
Scheinwerfer zusammengefasst, da bei allen eine Array-Anordnung eines variablen Lichtele-
ments eingesetzt wird. Beim LCoS- und beim DMD-Scheinwerfer muss dieses auf die
Bildebene abgebildet werden. Beim AMD-Scheinwerfer kann z.T. eine Abbildung eingesetzt
werden.
5.2 LCoS-Scheinwerfer
5.2.1 Funktionssynthese
Der LCoS-Scheinwerfer basiert auf einem reflektiven LCD-Display, das je nach angelegter
Spannung das einfallende polarisierte Licht unverändert reflektiert oder dessen Polarisations-
richtung dreht.
Als Grundvoraussetzung ist die Erzeugung von polarisierendem Licht zu nennen. Dabei muss
unterschieden werden zwischen optischen Elementen, die Licht mit einem geänderten
Polarisationszustand bereitstellen, den Polarisatoren, und den Analysatoren, die zum Nach-
weis oder der Untersuchung von polarisiertem Licht dienen. Polarisatoren für zirkular und
elliptisch polarisiertes Licht werden Phasenplatten genannt. [8.6, HAFERKORN, 2003]
Der LCoS-Scheinwerfer besteht aus folgenden Funktionselementen:
1. Lichtquelle mit Reflektor
2. (optional Homogenisator)
3. Polarisator
4. Lichtkonzentrator
5. polarisierender Strahlteilerwürfel
6. LCoS-Chip
7. Auskoppeloptik
Ihr funktionaler Zusammenhang ist in Abbildung 5.1 dargestellt:
S
YNTHESE
84
Abbildung 5.1: Funktionsstruktur des LCoS-Scheinwerfers
Die Funktionselemente haben folgende Aufgaben: Der Lichtstrom der Lichtquelle wird über
einen Reflektor gebündelt und in Richtung des Homogenisators gelenkt. Der Homogenisator
lenkt den gebündelten Lichtstrom annähernd gleichmäßig auf den ersten Polarisator. Dadurch
soll der Lichtstrom so effizient wie möglich polarisiert werden bei gleichmäßig geringer
thermischer Belastung des Polarisators.
S
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Polarisator
Der Polarisator hat die Aufgabe, das einfallende Licht so effizient wie möglich zu polarisie-
ren. Hierzu ist es erforderlich, nicht nur eine Richtung des polarisierten Lichts, sondern
möglichst beide linearen, senkrecht zueinander stehenden Polarisationsanteile des einfallendes
Lichtes zu verwenden. Hierzu wird einer der linearen Polarisationsrichtungsanteile mit einer
λ/2-Platte gedreht und mit dem anderen linearen Polarisationsanteil kombiniert. Dadurch liegt
nur noch eine Polarisationsrichtung vor. Der Aufbau des Polarisators wird in Abbildung 5.2
gezeigt. Von links kommend wird der Polarisator mit Strahlenbündeln zweier Polarisations-
richtungen bestrahlt. Der Lichtstrom wird polarisationsrichtungsabhängig über die erste
geneigte Prismenfläche aufgetrennt. Der aufgetrennte Teil des Lichtstroms wird an der
zweiten geneigten Prismenfläche umgelenkt und durch eine λ/2-Platte in der Polarisations-
richtung gedreht und mit der bereits polarisiert transmittierten Komponente des Lichtstroms
rekombiniert.
Abbildung 5.2: Rekombinations-Parallelogramm-Prismen-Polarisator
Teilweise gibt es LCoS-Videoprojektoren-Aufbauten, die noch einen zweiten Polarisator
unmittelbar direkt vor dem Polarisationsstrahlteilerwürfel aufweisen. Dadurch wird der
Polarisationsgrad der Polarisation des einfallenden Lichts erhöht.
Folgende fünf Ausführungsformen von polarisierenden Funktionselementen sind bekannt
[8.6, HAFERKORN, 2003]:
1. Polarisationsprismen (doppelbrechende Kristalle)
2. Polarisationsfilter (dichroitische Stoffe)
3. Interferenzpolarisatoren (Systeme aus dünnen Schichten)
4. Reflexionspolarisatoren (reflektierende oder durchlässige Grenzflächen)
5. Phasenplatten (doppelbrechende planparallele Platten)
S
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86
Polarisationsprismen
Bei den Polarisationsprismen werden verschiedene Bauformen unterschieden, deren Elemente
in den meisten Fällen mit Kanadabalsam gekittet sind. Dieser optisch transparente Kitt ist
jedoch nur begrenzt temperaturbeständig, wodurch sich im Scheinwerferbau Probleme auftun
können. Die zur Herstellung von Polarisationsprismen verfügbaren Einkristalle mit homoge-
nen optischen Eigenschaften ermöglichen nur relativ geringe Lichtstrahlenbündel-
Querschnitte. Die Einkristalle sind zusätzlich relativ teuer. Der maximale Konvergenzwinkel
des Lichtbündels, das durch die Polarisationsprismen geleitet werden kann, ist je nach Aufbau
zwischen 8° und 31° (42°) begrenzt. Teilweise kann die relativ lange Baulänge der Prismen
für den Einbau in einen Scheinwerfer problematisch sein. Als typische Prismenformen sind
das Glan-Thompson’sche Prisma, das relativ lang baut und die wesentlich kürzer bauenden
Prismen von Rochon, Sénarmont und Wollaston zu nennen. Beim Dove-Prisma ist der
Aufbau sehr einfach und bei ihm wird der Strahlengang um 90° gefaltet. Bei den doppelbre-
chenden Polarisationsprismen wird der Lichtstrom zu beinahe 50% ausgenutzt. Dabei treten
nur geringe Reflexions- und Absorptionsverluste auf [8.6, HAFERKORN, 2003]. Problema-
tisch ist bei den meisten Prismen der geringe Winkel zwischen ordentlichem und außerordent-
lichem Strahl. Der Polarisationsgrad der Teilstrahlen ist ebenfalls eine entscheidende Größe
für die Verwendbarkeit der Prismen. Beim Fresnelschen Parallelepiped wird durch zweifache
Totalreflexion zirkular polarisiertes Licht erzeugt.
Polarisationsfilter
Die Polarisationsfilter sind den Flächenpolarisatoren zuzuordnen. Sie bestehen aus dichroiti-
schen Stoffen, die einen großen Unterschied des Absorptionskoeffizienten zwischen dem
ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl aufweisen. Bestehen die Flächenpolarisatoren
aus einachsigen optischen Kristallen, so ist der Absorptions- und Polarisationsgrad wellenlän-
genabhängig. Die Flächenpolarisatoren haben eine sehr geringe Baulänge, ein geringes
Gewicht, fluchtende optische Achsen und sie lassen sich in relativ großen Durchmessern
herstellen. Nachteilig sind die Färbung des Lichts, der unter 1 liegende Polarisationsgrad und
die Änderung des Polarisationsgrades bei der Neigung des Polarisationsfilters. Werden
Flächenpolarisatoren aus Hochpolymeren hergestellt, so lassen sich bei geeigneter Wahl von
Folie und Farbstoff Polarisationsgrade >99% erzielen, allerdings ist bei weißem Licht der
Transmissionsgrad nur etwa 30%. Durch ein Einkitten der Folien zwischen Deckgläsern wird
der Hygroskopizität der Polarisationsfolie entgegengewirkt. Da die Hochpolymere aus
organischen Stoffen bestehen, ist deren Temperaturstabilität ebenfalls begrenzt.
Interferenzpolarisatoren / Reflexionspolarisatoren
Interferenzpolarisatoren werden bei Prismenwürfeln eingesetzt. Sie erhöhen den Anteil des
reflektierten, senkrecht zur Einfallsebene stehenden, linear polarisierten Lichtbündelanteils
durch die Verwendung von dielektrischen Schichten. Diese Interferenzpolarisationsschichten
bestehen abwechselnd aus Schichten mit hoher und niedriger Brechzahl, die zwischen den
gekitteten Prismen gleicher Brechzahl angeordnet sind. Hier werden λ/4-Schichten verwen-
S
YNTHESE
87
det. Die Brechzahlen des Glases, aus dem die Prismen bestehen, müssen so eingestellt
werden, dass die Polarisationswinkel an den Grenzflächen zwischen hoch- und niedrigbre-
chenden Flächen eingehalten werden.
Die Interferenzschichten müssen auf das breitbandige Spektrum, das bei Scheinwerfern
eingesetzt wird, abgestimmt werden bei einer sehr hohen Selektivität zwischen den verschie-
denen Polarisationsrichtungen.
Interferenzpolarisatoren sind in ihrem erreichbaren Polarisationsgrad vergleichbar mit
anderen Polarisatoren. Die Lichtausbeute ist teilweise anderen Polarisatoren überlegen durch
die praktisch vollständige Absorptionsfreiheit und die Möglichkeit der Nutzung von beiden
Polarisationsanteilen.
Phasenplatten
Phasenplatten bestehen aus doppelbrechenden, planparallelen Platten, die zur Erzeugung einer
Phasendifferenz zwischen senkrecht zueinander schwingenden Wellen eingesetzt werden. Es
werden λ/4-Plättchen, die eine Phasendifferenz von δ = π/2 erzeugen, und λ/2-Plättchen, die
eine Phasendifferenz von δ = π hervorrufen, unterschieden. Aus fertigungstechnischen
Gründen werden oft ungeradzahlige Vielfache der notwendigen Schichtdicken hergestellt.
Lichtkonzentrator
Der Lichtkonzentrator hat die Aufgabe, die Lichtverteilung so vorzumodellieren, dass die
gewünschte Lichtverteilung auf dem LCoS-Chip der maximal möglichen Lichtstärke-
verteilung auf der Straße entspricht. Die maximalen Lichtstärken sind bei der Fernlichtvertei-
lung erforderlich. Die Haupt-Gradienten innerhalb der Lichtverteilung werden durch eine
gezielte Ausleuchtung des LCoS-Chips erzeugt, wodurch Lichtverluste durch ein teilweises
Dunkelblenden des LCoS-Chips in den Chip-Randbereichen vermieden werden.
LCoS-Chip
Der Aufbau eines LCoS-Chips ist ähnlich einem reflektierenden LCD-Panel. Als Unterschied
des LCoS-Chip zum LCD-Chip sind einzeln ansteuerbare, pixelförmige Elektroden mit
reflektierenden Eigenschaften und eine unterhalb der Elektroden liegende Steuer-Elektronik
zu nennen. Gegenüber normalen LCDs hat das den Vorteil, dass das Licht praktisch von der
gesamten Oberfläche des Chips reflektiert wird [8.2, MELCHER, 2003]. Der Flächennut-
zungsgrad der lichtausgesetzten Fläche liegt bei ca. 93% [8.2, HCINEMA, 2003]. Zur
genaueren Beschreibung des Aufbaus siehe auch [8.2, WU, 2001].
Das Schaltverhalten der LCoS-Displays bzw. der LCDs ist temperaturabhängig. Dabei steigen
die Schaltzeiten von 10°C bis zu –10°C um den Faktor 3 an. Das Schalten von weiß auf
schwarz funktioniert schneller als das Schalten von schwarz auf weiß [8.2, 3-5: LCoS-Virtual,
2003]
S
YNTHESE
88
Bei den LCoS-Displays werden on-axis (Einkoppelwinkel α = 0°) und off-axis (α > 0°) [8.9,
PHILIPS, 2002] Lichteinkopplungen unterschieden. Die Eigenschaften des LCoS-Chip sind
in Tabelle 5.1 aufgelistet.
Tabelle 5.1: Eigenschaften von LCoS-Chips
Daten von LCoS-Chips [8.2, Sony SXRD-Produkte, 2003;
8.2, Three-Five 1920-chip, 2003]
[8.2, WU,2001]
Kontrast 600:1 (bis 3000:1) 300:1 (bis zu 1000:1)
Umschaltgeschwindigkeit < 25ms (bis 5 ms) <16 ms
Pixelgröße 12µm (bis 9µm) 13µm (Lücke 0,5µm)
Reflexion 65 bis 70% 91%
Pixelabstand 0,35µm
Auflösung 1920 x 1080 Pixel 1365 x 1024 Pixel
Flächennutzungsgrad - 93%
Format des LCoS-Chips
(Chip-Diagonale)
0,78’’ (0,53’’ bis 0,85’’) (je nach
Auflösung)
23 mm
Max. Lichtstromsteuerung - < 15000 lm
Polarisationsstrahlteiler
Der Polarisationsstrahlteiler (PBS) wird benötigt, um den erforderlichen Kontrast des LCoS-
Displays zu erzeugen. Fällt ein Lichtstrahl auf den PBS, Abbildung 5.3, so wird das s-
polarisierte Licht (d.h. die Polarisationsrichtung ist senkrecht zur Einfallsebene orientiert)
reflektiert und das p-polarisierte Licht (parallel zur Einfallsebene orientiert) wird durch den
PBS transmittiert und nicht abgelenkt.
Der Polarisationsstrahlteiler hat die Aufgabe die beiden Polarisationsrichtungen möglichst
vollständig in die beiden Abstrahlrichtungen aufzutrennen, damit auch bei dem verwendeten
breiten Frequenzspektrum des eingekoppelten, weißen Lichts keine Kontrastverflachung
durch teilweise transmittierte Spektralbereiche auftritt.
S
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Abbildung 5.3: Schematischer Strahlengang am LCoS-Chip [nach 8.2, PFEIFFER, 2000]
Das eingekoppelte Licht fällt auf den Strahlteilerwürfel, das s-polarisierte Licht wird reflek-
tiert und auf den LCoS-Chip geleitet. Das Licht passiert die transparente ITO-Elektrode und
wird im spannungslosen Zustand durch die Flüssigkeitskristallschicht in seiner Polarisations-
richtung gedreht. Danach wird das Licht an den Aluminium-Spiegelelektroden, siehe
Abbildung 5.3 reflektiert und erneut durch die Flüssigkeitskristallschicht geleitet. Es liegt nun
p-polarisiertes Licht vor, d.h. die Polarisationsrichtung liegt in der Einfallsebene. Das Licht
wird durch den PBS hindurchgeleitet und durch die Auskoppeloptik auf die Zielfläche
abgebildet. Durch den Einsatz einer λ/4-Schicht wird die Schwingungsebene des Lichtanteils,
der diese Schicht zweimal passiert, um 90° gedreht.
Liegt Spannung an den einzelnen Pixeln des LCoS-Chips an, so wird die Polarisationsrich-
tung des einfallenden Lichts nicht gedreht. Das reflektierte Licht wird nach dem Passieren des
LCoS-Chips in den Einkoppelstrahlengang zurückreflektiert, da es weiterhin s-polarisiert
vorliegt.
Unterhalb der Spiegelelektroden, die einen Reflexionsgrad von ca. 91% haben, [8.2, WU,
2001], befinden sich die elektrischen Schaltkreise zur Ansteuerung der einzelnen Pixel. Die
elektrischen Schaltungen werden durch einen Lichtschutz vor einfallender Strahlung ge-
schützt. Hierdurch werden Photoströme und die thermische Belastung in der Elektronik
reduziert, [8.2, WU, 2001; 8.7, BÜTTNER, 2003].
AL-Spiegel-
Elektroden
Strahlteilerwü
r
fel
Lichtauskop
p
lung
Lichtein-
kopplung
LCoS
-
Chip
S
YNTHESE
90
5.2.2 Modularisierung
Der LCoS-Scheinwerfer kann in folgende Funktionsgruppen, Abbildung 5.1, aufgeteilt
werden:
1. Einkopplungsoptik mit
Lichtquelle, (optionalem Homogenisator), Polarisator und (optionalem
Konzentrator)
2. Mitteloptik mit
Polarisationsstrahlteiler und LCoS
3. Auskoppelungsoptik mit
Objektiv
Einkoppeloptik
Die Einkoppeloptik besteht aus einer Kurzbogenlampe als Lichtquelle, einem optionalen
Homogenisator, einem Polarisator und einem optionalen Konzentrator.
Bei der Einkopplung ist darauf zu achten, dass das eingekoppelte Licht möglichst effizient in
polarisiertes Licht gewandelt wird. Das kann nur durch die Nutzung beider Polarisationsantei-
le des Lichtes erfolgen. Durch die Verwendung einer λ/2-Platte wird eine Polarisationsrich-
tung gedreht und anschließend mit dem zweiten linearen Polarisationsanteil kombiniert,
wodurch die Gesamteffizienz der Polarisierung auf ca. 80% (Messergebnis) gesteigert werden
kann.
Der Homogenisator hat die Aufgabe die Beleuchtungsstärke und damit den Energieeintrag auf
dem Polarisator zu vergleichmäßigen. Darüber hinaus wird er eingesetzt, um die Ausleuch-
tung des Videobildes bei Videoprojektoren möglichst zu vergleichmäßigen. Ein Randabfall
wird in dem konventionellen Einsatzfall des LCoS-Videoprojektors nicht gewünscht. Beim
Einsatz der LCoS-Technologie im Kfz-Scheinwerfer wird eine Lichtstrom-Konzentration im
Zentralbereich der Ausleuchtung benötigt, um die erforderliche Lichtstärke der Lichtvertei-
lung für große Entfernungen zu erzielen. Daher wird nach dem thermisch empfindlichen und
damit möglichst gleichmäßig ausgeleuchteten Polarisator ein Lichtkonzentrator in der
Einkoppeloptik eingesetzt. Limitierender Faktor bei der Lichtstrombündelung ist dabei das
Etendué oder der geometrische Fluss, der innerhalb eines optischen Systems stets ansteigt
bzw. im besten Fall konstant gehalten werden kann. Der Abbildungsmaßstab der Kurzbogen-
lampe auf den LCoS-Chip sollte daher möglichst klein gehalten werden.
Mitteloptik
Ein als Würfel ausgebildeter Polarisationsstrahlteiler hat in der Funktionsgruppe der Mittelop-
tik die Aufgabe eines polarisationsabhängigen Reflektors, der das eingekoppelte s-polarisierte
S
YNTHESE
91
Licht möglichst vollständig reflektiert und auf den LCoS-Chip lenkt. Von Vorteil ist seine
polarisationsrichtungsabhängige Reflexion bzw. Transmission, auch für den Polarisationsgrad
des eingekoppelten aber auch für das ausgekoppelte Strahlenbündel. Sollte das Einkoppel-
strahlenbündel nicht vollständig s-polarisiert sein, so wird der restliche p-polarisierte Licht-
stromanteil am LCoS-Chip vorbeigeleitet, wodurch der Kontrast des Gesamtsystems mög-
lichst hoch bleibt. Das Maß der polarisationsrichtungsabhängigen Selektivität des Polarisati-
onsstrahlteilerwürfels über den breitbandigen, visuellen Bereich ist die maßgebliche Kenn-
größe für den Kontrast des LCoS-Scheinwerfers, neben dem Kontrast des LCoS-Displays.
Auskoppeloptik
Die Auskoppeloptik hat die Aufgabe, den LCoS-Chip auf die Straße abzubilden. Hierzu wird
ausschließlich das p-polarisierte Licht des LCoS-Chips verwendet, da das s-polarisierte Licht
durch den polarisierenden Strahlteilerwürfel abgetrennt und in den Einkoppelstrahlengang
zurückgeleitet wurde. Der Strahlteilerwürfel wirkt in der Auskoppeloptik nur als plan-
parallele Platte, da seine Außenflächen parallel sind und die Prismenhälften aus dem gleichen
Material hergestellt werden. Mit einer Variation der Abbildungsmaßstäbe durch z.B. zwei
Zylinderlinsen in horizontaler und vertikaler Richtung kann das Aspektverhältnis des Chips
von 4:3 auf die Erfordernisse der Ausleuchtung der Straße, d.h. z.B. 9:2 (2x 45° horizontal zu
-15° + 5° vertikal), angepasst werden.
Die Effizienz des Projektors wird vom Wirkungsgrad der Lampe, dem Polarisations-
Konvertierungs-Wirkungsgrad, dem LCoS-Flächennutzungsgrad und dessen Reflexionsgrad
sowie dem Wirkungsgrad des Strahlteilerwürfels und von der numerischen Apertur der
Projektionslinse bzw. des Abbildungsobjektivs der Auskoppeloptik bestimmt. Eine Bündel-
begrenzung durch eine Austrittsblende und damit eine Reduktion der mittleren Bildleucht-
dichte ist dabei zu vermeiden.
5.2.3 Dimensionierung
Der LCoS-Scheinwerfer kann, ebenso wie der DMD-Scheinwerfer, aus mehreren Richtungen
und von verschiedenen Ausgangspunkten ausgehend dimensioniert werden. Eine „Vorwärts“-
Dimensionierung erfolgt ausgehend von der Lampe entlang der Einkoppeloptik. Eine
„Rückwärts“-Dimensionierung basiert auf der Ermittlung der lichttechnischen Erfordernisse
auf der Straße, von denen dann auf die notwendigen Leuchtdichten und Lichtstärken auf dem
LCoS-Chip zurückgerechnet wird. Mit dem dritten Ansatz, der Etendué-Berechnung, wird die
Divergenz des Auskoppelstrahlenbündels auf die des Einkoppelstrahlenbündels abgestimmt.
Alle drei Ansätze werden in Kapitel 5.3.3, Dimensionierung des DMD-Scheinwerfers,
genauer vorgestellt.
Außerdem wird beim LCoS-Scheinwerfer polarisiertes Licht eingesetzt. Dieses wird über
einen Polarisator erzeugt, der über zwei Lichtwege beide Polarisationsteile nutzt, davon einen
um 90° dreht und dann beide rekombiniert. Der Polarisationsgrad kann über einen Polarisator,
der als Analysator eingesetzt wird, ermittelt werden. Jedes weitere Optikelement hinter dem
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Polarisator verschlechtert den Polarisationsgrad. Daher werden in LCoS-Videoprojektoren
zusätzliche Polarisationsfilter unmittelbar vor dem Polarisations-Strahlteilerwürfel, PBS,
eingesetzt. Der PBS hat neben seiner optischen „Weichenfunktion“, je nach Polarisationsrich-
tung wird der Lichtstrom transmittiert oder an einer inneren polarisationsselektiven Schicht
reflektiert und um 90° abgelenkt, die Aufgabe, den Polarisationsgrad der eingekoppelten
Strahlenbündel und des ausgekoppelten Strahlenbündels möglichst hoch zu selektieren. Durch
eine spektral breitbandige Auslegung des Polarisationsstrahlteilerwürfels und eine hohe Güte
in der Selektivität der Polarisationsgrade (polarisationsrichtungsabhängige Reflexion oder
Transmission) kann ein hoher Kontrast der LCoS-Lichtverteilung erzielt werden. Ein
zusätzlicher Polarisationsfilter zwischen dem PBS und der Auskoppeloptik erhöht auf der
einen Seite den Kontrast, auf der anderen Seite weist dieser Filter weitere Transmissionsver-
luste auf und er reflektiert Teile des Lichts durch Fresnel’sche Reflexionen.
Ein alternativer Aufbau besteht in einer V-förmigen Lichteinkopplung bzw. Lichtauskopplung
auf einen LCoS-Chip. Das hat den Vorteil, dass auf einen kostenintensiven PBS verzichtet
werden kann. Dafür müssen im Auskoppelstrahlengang und optional im Einkoppelstrahlen-
gang relativ zueinander gedrehte, hochwertige Polarisationsfilter verwendet werden. Diese
transmittieren den einfallenden Lichtstromanteil mit der selektierten Polarisationsrichtung und
absorbieren bzw. teilweise reflektieren den Lichtstrom mit der senkrecht dazu stehenden
Polarisationsrichtung, vgl. [8.9, PHILIPS, 2002]. Da Teile des Lichtstroms absorbiert werden,
sind dessen Anforderungen an Temperaturbeständigkeit und an die Kühlung der Polarisati-
onsfilter hoch.
5.2.4 Konstruktiver Aufbau
Abbildung 5.4: LCoS-Scheinwerfer, Versuchsträger
Kennzeichen des Versuchsaufbaus, siehe Abbildung 5.4, ist dessen hohe Flexibilität in der
Anordnung der Komponenten und deren jeweilige Justierung. Hierzu wurde ein Schienensys-
Steuerung Gasentladungslam
pe mit
Lüfter
Spiegel
Objektiv
Lochplatte Schienensystem
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93
tem verwendet, das auf einer Lochrasterplatte angeordnet wurde. Auf den quaderförmigen
Schienen sind die optischen Komponenten mit U-förmigen Klemmhaltern angeordnet
worden. Diese ermöglichen eine Verschiebung in Richtung der optischen Achse und eine in
Grenzen mögliche Höhenjustierung der Optikkomponenten senkrecht zur optischen Achse.
Zusätzlich ist eine Verkippung der U-Klemmhalter möglich, welche insbesondere bei
Reflektoren sinnvoll sein kann. Mit einem quaderförmigen optischen Schienensystem können
zusätzlich schnell Komponenten eingesetzt, ausgetauscht oder herausgenommen werden.
Die Klemmhalter haben auch den Vorteil, dass sie eine hohe Stabilität auch gegenüber
Erschütterungen und Vibrationen aufweisen. Die Führungslänge der Halter ist allerdings auf
die jeweilige Linsenfassungstiefe beschränkt.
Beim Aufbau des LCoS-Scheinwerfers wird zunächst auf die Komponenten eines dafür
gekauften LCoS-Videoprojektors für den konventionellen Büroeinsatz zurückgegriffen. Der
Scheinwerfereinsatz erfordert dagegen einen robusten Aufbau. Die Lichtfarbe der Scheinwer-
ferlichtverteilung ist weiß. Eine Trennung in Farbanteile ist daher nicht erforderlich. Daher
konnten für den Scheinwerfereinsatz überflüssige Komponenten entfernt werden.
Die Ansteuerung der Lichtstärkeverteilung sollte beim Versuchsträger nur in Graustufen
erfolgen, wodurch auf die Aufsplittung in mehrere Farbkanäle oder auf die Verwendung eines
lichtstromverlustbehafteten Farbrades verzichtet werden konnte. Zusätzlich besitzen Video-
projektoren einen Homogenisator, der die Aufgabe hat, die Lichtstärkeverteilung über das
Projektorbild auszugleichen. Die Homogenisierung kann über einen Hohllichtleiter durch
Mehrfachreflexion oder über in ihrer jeweiligen Brennweite distanziert angeordnete Mikrolin-
senarrays erfolgen. Demgegenüber haben Kfz-Scheinwerfer die Aufgabe, eine hohe zonale
Lichtstärke aufzuweisen, die für eine hohe Erkennbarkeitsentfernung erforderlich ist. Daher
ist keine Homogenisierung, sondern eine starke Lichtkonzentration auf dem LCoS-Chip
erforderlich. Das polarisierte Licht muss daher auch innerhalb der LCoS-Chip-Fläche einen
hohen Lichtstärkegradienten aufweisen. Das kann über einen Lichtstromkonzentrator erzielt
werden. Dieser kann eine Sammellinse, eine Linsenkombination oder auch eine konvexe,
sammelnde Reflexionsoptik sein.
Im Rahmen der Diplomarbeit von [8.7, BÜTTNER, 2003] wurden bei den LCoS-
Scheinwerfern die Z- und die L-Anordnungen unterschieden. In den Abbildungen 5.5 und 5.6
ist die Z-Anordnung dargestellt. Diese besteht aus einer UHP-Kurzbogenlampe eingekittet in
einem Paraboloid-Reflektor. Dieser lenkt das Licht auf zwei Linsenarrays, die in ihrer
jeweiligen Brennweite zueinander angeordnet sind. Die Polarisator-Prismenanordnung
schließt sich an, bei der beide Polarisationsanteile zunächst voneinander getrennt, ein
Polarisationsanteil gedreht und dann mit dem zweiten rekombiniert werden. Dann wird der
Strahlengang mit einem Umlenkspiegel gefaltet und mit den vor- bzw. nachgelagerten beiden
Linsen über den Strahlteilwürfel (PBS) auf den LCoS-Chip gelenkt. Die beiden Linsen und
der Umlenkspiegel konzentrieren den Lichtstrom auf die kleinere LCoS-Chip-Fläche und
sorgen für den Lichtstrom-Gradienten auf ihm. Der LCoS-Chip reflektiert den Lichtstrom,
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dreht dessen Polarisationsrichtung und leitet ihn durch den Stahlteilerwürfel (PBS) über die
Auskoppellinse auf die Straße. Die Auskoppellinse bildet dabei den LCoS-Chip auf die Straße
ab.
Abbildung 5.5: Z-Anordnung eines LCoS-Scheinwerfers
Abbildung 5.6: Optikdesign des LCoS-Scheinwerfers [8.7, BÜTTNER, 2003]
Nachteilig wirkt sich bisher noch die nicht umsetzbare Verlängerung der Zuleitung der LCoS-
Chips aus, die eine räumliche Trennung zwischen Optik und Elektronik verhindert.
Steuerung
Lochplatte
Schienensystem
Objektiv
PBS
Sammellinse
Polarisator Lampengehäuse
LCoS
PBS
Polarisator mit Linsenarrays
LCoS-Chip
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Der bisher realisierte Platzaufwand der Gesamtanordnung, siehe Abbildung 5.4, ist zu groß.
Die Komponenten für die Lichteinkopplung und die Erzeugung von polarisierendem Licht
sind daher noch zu verkleinern.
Dennoch wurden Überlegungen zu einem möglichen Scheinwerfer-Serieneinsatz gemacht.
Eine Kombination aus einer statischen Grundlichtverteilung und einer variablen, aktiven
LCoS-Lichtverteilung sind dabei aus energetischen Gesichtspunkten vorteilhaft. Da sich
zukünftige Scheinwerfer nicht mehr ohne die Funktionalität des dynamischen Kurvenlichts
verkaufen lassen werden, ist auch für diese Lichtfunktionalität eine technische Realisierung
vorzusehen. Das ist erforderlich, da sich die dynamische Kurvenlichtfunktion allen Lichtver-
teilungen in ihrer Winkelorientierung überlagert (vgl. Seite 102f).
5.2.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit LCoS-Scheinwerfer
Im Rahmen der Einzelkomponentenvermessung des LCoS-Scheinwerfers konnten die
erzielbaren Lichtströme und teilweise die maximalen Beleuchtungsstärken ermittelt werden.
Aus den Lichtströmen lässt sich die Effizienz des Strahlengangs bis zu der entsprechenden
Einzelkomponente berechnen. Die Messwerte und die berechneten Effizienzen sind in Tabelle
5.2 zusammengestellt worden.
Tabelle 5.2: Leistungseigenschaften der LCoS-Prototypen-Komponenten
Komponente Lichtstrom
Beleuchtungs-
stärke (max)
Wirkungsgrad
/ Effizienz
Kontrast (4 x 4
Schachbrett)
UHP-Lampe 14.000 lm 100 %
nach UHP-Lampe, vor Homogenisator 10.700 lm 5.524 lx 76 %
nach Polarisator, vor Umlenkspiegel 8.824 lm 754 lx 63 %
Einkoppeloptik, PBS, LCoS, PBS Optimierungspotenzial
nach Abbildungsoptik, weißes Bild 852 lm 15,9 lx 6,1 % 1:12,8
LCoS-Videoprojektor, weißes Bild 1.113 lm 11,9 lx 7,9 % 1:88
Wie aus Tabelle 5.2 ersichtlich ist, werden vom Lampenreflektor ca. 10.700 lm erfasst und in
die Einkoppeloptik gelenkt. Der Homogenisator und insbesondere der Polarisator arbeiten
relativ effizient, da nach dem Polarisator noch 8.824 lm polarisierter Lichtstrom zur Verfü-
gung stehen. Dieser Lichtstrom weist z.T. allerdings eine erhöhte Divergenz auf, bedingt
durch die Reflexionen innerhalb der Glasprismen des Polarisators, sodass dieser Teil des
Lichtstroms im weiteren Verlauf des Einkoppelstrahlengangs nicht mehr vollständig nutzbar
ist. Es besteht weiteres Optimierungspotenzial in der Fokussierung des polarisierten Licht-
stroms des Polarisators auf den LCoS-Chip. Damit dieses Potenzial erzielt wird, ist die
gewünschte Fernlichtverteilung mit ihrer nötigen Lichtstärke, dem erforderlichen Lichtstrom,
und gleichzeitig der gewünschten maximalen Streubreite für z.B. eine Stadtlichtverteilung
anzustreben. Wird diese Fokussierung durch einen Freiformreflektor effizient durchgeführt,
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so können die Lichtstrom-Verluste am LCoS-Chip reduziert werden. Lichtfunktionsabhängig,
d.h. je nach vertikaler Lage der Hell-Dunkel-Grenze, werden die Lichtstromverluste, verur-
sacht durch das subtraktive Lichtverteilungs-Formungsprinzip des LCoS-Scheinwerfes,
ansteigen. Dennoch sollten diese für die Fernlichtverteilung minimal werden. Hierzu müssen
die Lichtstärken an die Fernlichtverteilung und die Streubreiten an die Stadtlichtverteilung
angepasst werden, damit der LCoS-Chip möglichst wenig Lichtstrom zurück in den Einkop-
pelstrahlengang lenken und dunkel tasten muss.
In dem in LCoS-Technologie erstellten Versuchsträger wurde das prinzipielle Vorgehen für
einen LCoS-Scheinwerfer demonstriert, wobei durch weitere Optimierungen der lichttechni-
sche Wirkungsgrad, die Effizienz des Systems und der erzielbare Kontrast zu erhöhen sind.
Dazu muss noch eine Freiform-Einkopplungsoptik ausgelegt werden. Zusätzlich ist eine
spektrale Erhöhung der Breitbandigkeit des Polarisations-Strahlteilerwürfels erforderlich, da
bisher der erzielbare Kontrast, d.h. die polarisationsrichtungsabhängige Selektivität im blau-
violetten und im roten Spektralbereich noch nicht ausreichend hoch sind. Es kommt zu einer
Kontrastverflachung, da blau-violetter und roter Lichtstrom, der vom LCoS-Chip mit
ungedrehter Polarisationsrichtung reflektiert wird, vom PBS transmittiert statt reflektiert wird.
Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit des LCoS-Scheinwerfers mit dem DMD-Scheinwerfer
wird in Kapitel in 6.5.1 vorgenommen.
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5.3 DMD-Scheinwerfer
5.3.1 Funktionssynthese
Ausgehend von den in Kapitel 3.3 vorgestellten Lichtfunktionen wird in Kapitel 3.8 die
Funktionsstruktur zukünftiger aktiver Scheinwerfersysteme beschrieben. Diese Funktions-
struktur wird hier in ihre Hauptfunktionen HF und Teilfunktionen TF zergliedert, damit die
notwendigen Komponenten eines aktiven DMD-Scheinwerferssystems daraus abgeleitet
werden können, siehe auch Abbildung 5.7:
1. HF: UHP-Lampe zur Lichtstrom-Erzeugung
2. HF: Lichtstrom-Modulation
2.1 TF1: Ellipsoid- oder Paraboloid-Glasreflektor zum Lichtstrom sammeln
(optional Farbrad zur Erzeugung der Farbkomponenten)
(optional Homogenisator zum Vergleichmäßigen der Lichtstärkever-
teilung)
2.2 TF2: Linsensystem zur Abbildung des Lichtbündels auf den DMD-Chip
2.3 TF3: DMD-Chip zur pixelweisen Lichtstärke-Modulation
2.4 TF4: Objektiv zur Abbildung des DMD-Chips auf die Bildfläche
3. HF: Leuchtweitenregelung LWR+ (vertikal) (optional)
4. HF: dynamisches Kurvenlicht dyn.BL (horizontal) (optional)
Beim DMD-Scheinwerfer erfolgt die Lichterzeugung (1. Hauptfunktion) mit einer UHP-
Lampe, die eine sehr kurze Lichtbogenlänge von 1,0mm bis 1,3mm und eine hohe Leucht-
dichte aufweist. Die UHP-Lampe ist in einem, zur Erfüllung der 2. Hauptfunktion (Licht-
strom-Modulation) benötigten, hochpräzisen Glasreflektor positioniert. Dieser ist für das
visuelle Lichtspektrum (VIS) spektral selektiv reflektierend und für die Infrarotstrahlung (IR)
transmittierend. Als Reflektorformen kommen Ellipsoid- und Paraboloid-Reflektoren zum
Einsatz. Wie von DMD-Video-Projektoren bekannt, kann optional ein Farbrad eingesetzt
werden, das sequentiell die Farben herausfiltert oder eine spektrale Aufsplittung in drei
Farbkanäle bewirkt. Mit einem nachgeordneten Hohllichtleiter oder zwei Linsenarrays kann
optional eine Homogenisierung des Einkoppellichtbündels vorgenommen werden. Dem
Reflektor und den optionalen Komponenten ist ein Linsensystem zugeordnet, welches das
homogenisierte Lichtbündel auf einen DMD-Chip bzw. auf bis zu drei DMD-Chips abbildet.
Der DMD-Chip bzw. die DMD-Chips dienen der pixelweisen Lichtstärke-Modulation. Der
Aufbau, die Funktion und die Ansteuerung des DMD-Chips wurden in Kapitel 4.6.1 be-
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98
schrieben. Schließlich werden die zur Erfüllung der 2.Hauptfunktion benötigten Komponen-
ten von einem Objektiv abgeschlossen, welches die Abbildung des DMD-Chips auf eine
Projektionsfläche bzw. auf die Straße projiziert.
Die Leuchtweitenregelung (3. Hauptfunktion) kann durch die Ansteuerung des DMD-Chips
per Software erfolgen, wobei nur der unmittelbar auf dem DMD-Chip abgebildete Lichtstrom
variiert werden kann. Alternativ kann für eine Leuchtweitenregelung der gesamten
Abbildung 5.7: Funktionsstruktur des aktiven DMD-Scheinwerfers
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Lichtverteilung ein mechanisches Verkippen des Gesamtsystems oder nur das Verkippen
eines nachgelagerten Spiegels vorgesehen werden. Für das dynamische Kurvenlicht (4.
Hauptfunktion) lassen sich ebenfalls mehrere Realisierungsformen mit unterschiedlicher
Wirksamkeit und Energieeffizienz beschreiben, siehe das nachfolgende Kapitel.
5.3.2 Modularisierung
Beim DMD-Scheinwerfer lässt sich der Aufbau, wie beim LCoS-Scheinwerfer, in unter-
schiedliche Module gliedern, denen sich folgende Komponenten zuordnen lassen:
1. Einkoppeloptik mit
Lichtquelle und Optik zum Lichtstrom sammeln und bündeln
2. Mitteloptik mit
Feldlinse (optional) und DMD-Chip
3. Auskoppeloptik mit
Objektiv
Eine Systematik des DMD-Scheinwerfers bezüglich seiner Komponenten, Varianten und
Abarten ist in Tabelle 5.3 am Ende dieses Teilkapitels angegeben.
Einkoppeloptik
Als Einkoppeloptik wird die Anordnung der Lampe sowie des Reflektors oder der Reflekto-
ren (z.B. Lampenreflektor und Kaltlichtspiegel) bezeichnet, die den Lichtstrom der Lampe
sammeln, umlenken und fokussieren. Zusätzlich können auch Linsen eingesetzt werden, die
Zwischenbilder der Lichtquelle auf den DMD-Chip abbilden.
Die Einkoppeloptik hat die Aufgabe der Vormodellierung der Lichtstärkeverteilung des
DMD-Scheinwerfers. Sie ist die begrenzende Größe, welche die maximal mögliche Lichtver-
teilung in Bezug auf die Lichtstärke beim Fernlicht und die Breite der Ausleuchtung beim
Stadtlicht vorgibt. Grund dafür ist das subtraktive Funktionsprinzip der Erzeugung der
Lichtverteilung des DMD-Scheinwerfers, da ein Anteil der größten gemeinsamen Lichtvertei-
lung durch den DMD-Chip ausgeblendet wird. Die maximale Lichtstärke der Lichtverteilung
und der maximale Lichtstrom des Scheinwerfersystems werden durch die Einkoppeloptik
maßgeblich definiert. Das Etendué der Einkoppeloptik muss möglichst klein gehalten werden,
damit die Lichtverluste im folgenden optischen System durch Beschnitt des Strahlenbündels
minimal gehalten werden können.
Mitteloptik
Die Mitteloptik ist Bindeglied zwischen der Einkoppeloptik und der Auskoppeloptik und
umfasst mindestens einen die Lichtstärkeverteilung pixelweise modulierenden DMD-Chip.
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100
Die Winkel-Verhältnisse der Ein- und Auskopplung und des Absorberstrahlengangs werden
über die Mitteloptik definiert. Diese Winkelverhältnisse haben maßgeblich Einfluss auf den
erzielbaren Kontrast, den Gesamtwirkungsgrad des optischen Systems und die Aufheizung
des DMD-Chips. Zur Auslegung der Mitteloptik kann neben den geometrischen Erfordernis-
sen auch die Kenngröße des Etendué verwendet werden. Je nach Konfiguration ist die
Verwendung einer Feldlinse zur Abbildung der Austrittspupille der Einkopplung auf die
Eintrittspupille der Auskopplung sinnvoll. In der Anordnung der Feldlinse gibt es ebenfalls
mehrere Möglichkeiten. Sie kann direkt vor dem DMD-Chip oder nur im Einkoppelstrahlen-
gang angeordnet sein. Zur Lichtlenkung lässt sich ein oder auch mehrere Spiegel einsetzen.
Eine Justage-Möglichkeit des Lichtstrom einkoppelnden Umlenkspiegels um zwei Drehach-
sen ist vorteilhaft. Die geometrische Anordnung der unterschiedlichen Einkoppel- und
Auskoppelstrahlengänge zueinander kann mittels der Form von Buchstaben beschrieben
werden. Diese sind in Tabelle 5.3 in der Zeile „An3“ beschrieben als L-, T-, V-, Z-, N-, K-, F-
, E- oder S-Anordnung.
Beim Strahlengang des DMD-Scheinwerfers und bei dessen Ansteuerung werden die beiden
folgenden Schaltstellungen des DMD-Chips unterschieden:
1. die Nutzlichtstellung, in der das Licht durch eine Auskoppeloptik auf die Straße abge-
bildet wird.
2. die Absorberlichtstellung, in der eine Lenkung des Lichts auf einen Absorber erfolgt,
auf dem es in Wärme (IR-Strahlung) umgewandelt wird.
Zur Intensitätssteuerung des Scheinwerfers werden die Mikrospiegel des DMD-Chips über
Pulsweitenmodulation in ihrem Taktverhältnis angepasst, wodurch sich 255 Graustufen der
relativen Lichtstärkesteuerung einstellen lassen. Werden die Mikrospiegel des DMD-Chips
komplett auf ihre Nutzlichtstellung geschwenkt, so wird vom DMD-Scheinwerfer der
maximal mögliche Lichtstrom, die maximale Lichtstärke und die maximal mögliche Breite
der Ausleuchtung auf die Straße projiziert. Geringere Lichtstärken werden, je nach Taktver-
hältnis von Nutzlichtstellung und Absorberlichtstellung, mit einem zeitweisen Dunkelschalten
der Mikrospiegel durch Pulsweitenmodulation erzielt. Im Falle des kompletten Dunkelschal-
tens des DMD-Scheinwerfers wird der gesamte Lichtstrom auf den Absorber gelenkt. Ein
stattdessen erfolgendes Abschalten der Lampe verbietet sich, da diese ein verzögertes
Warmstartverhalten hat.
Die Lichtstärkeverteilung des DMD-Scheinwerfers stellt eine Faltung der absoluten Lichtstär-
keverteilung der Einkoppeloptik und der relativen Lichtstärkemodulation des DMD-Chips
dar. Die Auskoppeloptik bildet als Ganzes die vom DMD-Chip relativ modulierte Lichtvertei-
lung auf die Straße ab. Die Faltung der Lichtstärkeverteilung der Einkoppeloptik und der
relativen Lichtstärkemodulation des DMD-Chips hat zur Folge, dass die 255 Graustufen des
DMD-Chips im Bereich der maximalen Lichtstärke am weitesten gestaffelt sind im Vergleich
zu der sehr feingliedrigen Lichtstärkevariation in den Randbereichen der Lichtverteilung.
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101
Auskoppeloptik
Die Aufgabe der Auskoppeloptik besteht in der lichtstarken Projektion des DMD-Chips auf
die Straße mit hoher Schärfentiefe, wenig Verzeichnung, geringem Streulicht und damit
hohem Kontrast. Ein hoher Wirkungsgrad und möglichst keine oder nur geringe Farbfehler
sind anzustreben.
Aufteilung der Lichtverteilung
1. DMD-Lichtverteilung (Gesamtlichtverteilung)
2. Kombination aus Grundlichtverteilung und DMD-Lichtverteilung
3. Zusatzscheinwerfer in DMD-Technologie
Da der DMD-Chip seine Ursprungsanwendung in der Unterhaltungsindustrie hat bzw. im
Büro- und Präsentationseinsatz verwendet wird, ist sein Aspektverhältnis 4:3 bzw. 16:9.
Beide Aspektverhältnisse sind im Kfz-Einsatz nur begrenzt sinnvoll, wie Abbildung 5.8 zeigt,
da ein großer Anteil des verfügbaren Lichtstroms dadurch nicht genutzt werden kann. Eine
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des DMD-Scheinwerfers stellt Abbildung 5.9 dar,
in der einer DMD-Lichtverteilung eine Grundlichtverteilung mit verbessertem Wirkungsgrad
und angepasstem Aspektverhältnis überlagert wird.
Abbildung 5.8: Überlagerung der DMD-Chip-Abmessungen mit einer Straßenszenerie [8.7,
MÖNCHMEIER, 2004]
Abbildung 5.9: Grundlichtverteilung und DMD-Lichtverteilung kombiniert [8.7, MÖNCH-
MEIER, 2004]
S
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102
Abbildung 5.10: DMD-Lichtverteilung eines Zusatzscheinwerfers [8.7, MÖNCHMEIER,
2004]
Abbildung 5.11: gespreizte DMD-Lichtverteilung [8.7, MÖNCHMEIER, 2004]
Neben der Möglichkeit die Gesamtlichtverteilung über zwei DMD-Scheinwerfer zu erzeugen,
ist ein mögliches Einführungsszenario nur einen DMD-Zusatzscheinwerfer mit einem
angepassten Aspektverhältnis von beispielsweise 4:3, Abbildung 5.10 oder 6:1, Abbildung
5.11, zu verwenden.
Varianten der Realisierung des dynamischen Kurvenlichts
1. Kurvenlicht durch Drehen des gesamten Scheinwerfers
2. Kurvenlicht durch Drehen eines zusätzlichen Spiegels (Schwenkspiegels)
3. Kurvenlicht durch den Einsatz eines Flexprismas
4. Kurvenlicht durch die Drehung einzelner Komponenten
5. Softwaretechnische Realisierung des Kurvenlichts
1. Kurvenlicht durch Drehen des gesamten Scheinwerfers
Konventionell wird in den meisten Fällen zur Erzeugung des Kurvenlichts der gesamte
Scheinwerfer geschwenkt (Variante 1). Das hat zur Folge, dass das optische System in seiner
relativen geometrischen Anordnung exakt erhalten bleibt. Diese Lösung erfordert jedoch
einen vergrößerten Bauraum, der für das Schwenken der Scheinwerfereinheit benötigt wird.
Darüber hinaus werden größere Massen bewegt, die bei Vibrationen Probleme bereiten
können. Von Zizala [8.9, ZIZALA, 2002] wird der Ansatz verfolgt, nur die Projektionslinse
zu schwenken Dabei wird zwar die optische Achse der Abbildung gedreht, jedoch bleibt bei
einem Projektionsmodul die Aus- und Hinterleuchtung der Blendenebene in der vorgegebe-
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103
nen Orientierung erhalten. Eine erforderliche breitere Abstrahlcharakteristik des Projektions-
moduls und Lichtstromverluste beim Schwenken der Projektionslinse sind die Folge.
2. Kurvenlicht durch Drehen eines zusätzlichen Spiegels
Bei der 2. Variante ist dem optischen System ein Schwenkspiegel nachgelagert, der eine
geringe Masse aufweist und je nach Orientierung mit einer horizontalen Schwenkachse die
Leuchtweitenregelung und mit einer vertikalen Schwenkachse das dynamische Kurvenlicht
realisiert. Nachteilig ist der zusätzlich erforderliche Bauraum für den Schwenkspiegel. Bei
einer Drehung des Schwenkspiegels um eine parallel zur optischen Achse orientierten
Schwenkachse muss die Blendenebene des Systems mitgedreht werden, da sonst die Hell-
Dunkel-Grenze, je nach Schwenkstellung des Spiegels, nicht mehr horizontal steht bzw.
geneigt ist. Der erste Aufbau einer in Zusammenarbeit mit der Hella KG entwickelten
Schwenkspiegelanordnung wurde beim Showcar Audi Avantissimo vorgestellt.
3. Kurvenlicht durch den Einsatz eines Flexprismas
Die 3. Variante, das Flexprisma, ist in den Kapitel 4.6.5 und 5.6 näher beschrieben. Es besteht
aus einem oder mehreren optischen Elementen, die in der Summe ihrer optischen Wirkungen
ein Prisma erzeugen, welches einen variablen Prismenwinkel aufweist [8.8, KAUSCHKE,
2003-4].
4. Kurvenlicht durch die Drehung mehrerer optischer Elemente
In der 4.Variante zur Erzeugung des Kurvenlichts werden mehrere optische Elemente
(Spiegel, Linsen etc.) des Gesamtsystems geschwenkt [8.7, SPRENGER, 2003]. Das hat
allerdings den Nachteil, dass die optischen Elemente, je nach Anordnung, mit unterschiedli-
chen Winkelabhängigkeiten bewegt werden müssen. Das ist Folge des Reflexionsgesetzes, bei
dem der abgelenkte Lichtstrahl mit dem doppelten Schwenkwinkel der reflektierenden
Oberfläche bewegt wird. Ein alleiniges Verschieben einer Linse, ohne die Richtung des
eingekoppelten Lichtes zu ändern, ist daher ungeeignet, da Lichtstromverluste und Abbil-
dungsfehler auftreten.
5. Softwaretechnische Realisierung des Kurvenlichts
Die 5. Variante besteht in dem softwaretechnischen Schwenken der Lichtverteilung. Diese
Variante hat allerdings den Nachteil, dass die Breite des DMD-Chips und dessen resultierende
Abbildung begrenzt ist, sodass ein Schwenken nur in den engen Grenzen der Ausleuchtung
möglich ist. Außerdem nachteilig ist dabei, dass das Maximum der Lichtverteilung nicht mit
geschwenkt wird. Die Breite der Ausleuchtung könnte über mehrere parallel nebeneinander
angeordnete DMD-Chips oder wesentlich preiswerter durch eine horizontal verzerrende
Abbildung realisiert werden. Da bei einem softwaretechnischen Schwenken die jeweils
maximalen relativen Lichtstärken für einen der Gesamtlichtverteilung überlagerten
Schwenkwinkeloffset von +/-15° vorrätig gehalten werden müssen, ist die Gesamteffizienz
S
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104
des Systems deutlich geringer als wenn auf rein optischem oder mechanischem Weg die
Gesamtlichtverteilung geschwenkt wird.
Systematik der DMD-Scheinwerferkomponenten
Tabelle 5.3 Systematik der DMD-Scheinwerferkomponenten
DMD = Digital MicroMirror Device; O = Optik; An = Anordnung; LSV = Lichtstärkever-
teilung; dyn. BL = dynamisches Kurvenlicht (Bending Light); Th = Thermik; L = Lichtquelle;
CPC = Compound Parabolic Concentrator (Hohllichtleiter in modifizierter Paraboloidform,
teils auch in FF-Form), übrige siehe Glossar
Nr. Kategorie Variante 1 Variante 2 Variante 3
DMD1 DMD stehend hängend liegend
DMD2 DMD +/-10° +/-12° AMD
DMD3 DMD-modifiziert Standard-DMD für
Videobeamer
ohne Ecken mit variabler Spiegel-
größe und -aufteilung
DMD4 DMD-modifiziert teils mit statischen
Elementen
teils mit einzelnen
Defektpixeln
O1 Optikaufbau Einkoppeloptik [8.2,
TESCHKE, 2005]
Mitteloptik Auskoppeloptik
O2 Optikdesign für die
drei Optikaufbauten
Linsenoptik Reflektoroptik Mischform
O3 Linsensystem Einlinsensystem Mehrlinsensystem Feldlinsendesign
O4 Abbildung Zylinderlinsen FF-Reflektor FF-Linsen, „Stand-
ard“-Linsen etc.
O5 Optikdesign vor
DMD
Strahlengangdurch-
dringung
Spiegelumlenkung
[8.7, NÖLKEL, 2002]
Prismenumlenkung
[8.7, TAUBEN-
RAUCH, 2004]
O6 Strahlengangfaltung keine geometrische /
physikalische
Strahlteiler
Spiegel / Prismen:
Porroprisma, “3-
Wege-Prismenwürfel”
O7 Strahlengang-
orientierung
Einkopplung von
oben Auskopp-
lung nach unten
bzw. in die Mitte
Einkopplung von
unten Auskopp-
lung nach oben bzw.
in die Mitte
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105
O8 Lichteinfall auf DMD
(Aufheizung des
DMD, Abbildungs-
qualität Auskopplung)
möglichst senkrecht
(unter ca. 24°)
senkrecht unter Winkeln
>ca.24°, z.B. ca. 45°
O9 Homogenisierung keine Hohllichtleiter,
quaderförmig /
Zylinderlinsenarrays
CPC, FF-
Hohllichtleiter
O10 Farbrad keines sektorenartig
aufgeteilt
spiralförmig segmen-
tiert
O11 Feldlinse nur im Einkoppel-
strahlengang
im Ein- und Aus-
koppelstrahlengang
direkt vor DMD
angeordnet
O12 Auskopplung1 Einlinser (konvex) Mehrlinser zusätzlich mit
Zylinderlinse
O13 Auskopplung2 Asphäre Konvex-
Zylinderlinsen-
kombination mit zwei
verschiedenen
Krümmungsradien
Zylinderlinsen-
Aplanat [8.6,
HAFERKORN, 2003]
An1 Anwendung Gesamt-
system
nur ein DMD-
Scheinwerfer und
eine Leuchtdichte-
Attrappe
zwei DMD-
Scheinwerfer
DMD-
Zusatzscheinwerfer zu
konventionellen
Scheinwerfern
An2 Anordnung DMD –
Absorber – Einkopp-
lung
[8.7, NÖLKEL, 2002]
Anordnung 1
Anordnung 2
Anordnung 3
An3 Gesamtanordnung L, T, V, Z, N, K, F, E, S, Prisma oder Prisma und Spiegel etc., siehe
auch Tabelle 5.4
An4 Absorberlicht Absorberlichtnut-
zung
Abbildung davon Integration
S
YNTHESE
106
An5 Kompaktheit des
Systems
sehr kompakt
(Minimalanzahl 3
Elemente)
FF-Einkoppel-
reflektor, DMD-
Chip und FF-
Auskoppelreflektor
oder eine Auskop-
pellinse
optische Erweiterung optische High-End
Lösung (Mehrlinsen-
system mit optional
Zoom und Fokus-
Baugruppe)
An6 Spiegelpositionserfas-
sung bei AMD
keine über einen separaten
2. Strahlengang
(Laser + CCD-Zeilen
bzw. Matrix)
über geeignete,
sonstige Sensorik
An7 Schaltspiegel keinen für Fernlicht,
klappbaren Schalt-
spiegel
elektrochromes,
schaltbares Spiegel-
element
An8 Restlichtnutzung
Lampe
keine das sonst nicht
genutzte, direkte Licht
wird über einen
Reflektor für eine
statische Grundlicht-
verteilung genutzt
2 Lampen, eine für
Abblendlicht, 2. für
Fernlicht, weniger
Lichtstromverluste,
bessere Energie-
bilanz; Redundanz
(Failsafe)
LSV1 Lichtverteilungs-
erzeugung
nur DMD-
Abbildung
DMD mit Umfeldver-
spiegelung (weniger
thermische Belastung,
erhöhte Breite der
Ausleuchtung),
Umfeldverspiegelung
in Nutzlichtstellung
(in Auskoppellinse)
ausgerichtet
DMD mit separater,
statischer Grund-
lichtverteilung
(Lampenrestlicht-
nutzung)
statisches Kurven-
licht
dynamisches
Kurvenlicht
Landstraßenlicht
(Abblendlicht)
LSV2 AFS-
Lichtverteilungen
Stadtlicht Autobahnlicht Schlechtwetterlicht
S
YNTHESE
107
frei programmierbar Fahrerspezifisches
Licht
Straßen- / Verkehrs-
situationsabhängiges
Licht
LSV3 Aktive Lichtvertei-
lungen
Markierendes Licht Displaylicht etc.
LSV4 Lichtverteilungs-
vormodulation
Summe aus
Fernlicht und Stadt-
oder Nebellicht
homogene Ausleuch-
tung
2. Brennpunkt der
Einkoppeloptik nahe
des DMD-Chips, um
den notwendigen
LSV-Gradienten zu
erzeugen
LSV5 Lichtverteilungs-
randanwendungen:
Fernsehen, Internet
keine Farbe (da
energieeffizienter)
einschwenkbare
Farbfilter
einschwenkbares
Farbrad bzw.
Farbspirale
dyn.
BL1
dynamisches
Kurvenlicht
nur mit Spiegel mit Linsen /
(Flex)Prismen
mit mehreren
Elementen erzeugt
dyn.
BL2
dynamisches
Kurvenlicht
nur ein Element
bewegt
mehrere Elemente
aufeinander abge-
stimmt bewegt
Gesamtsystem
geschwenkt
Th1 IR-Strahlungs-
reduktion
Kaltlichtfilter bei
der Lampe
Kaltlichtspiegel
Th2 Kühlung DMD passiv aktiv
Th3 Kühlmaßnahme Kühlkörper Lüfter Peltierkühler
Th4 Kühlmedium Luft Wasser Öl
Th5 Kühlsystem autark an Fahrzeugklima-
anlage angeschlossen
an Motorkühler- /
Ladeluftkühler etc.
angeschlossen
L1 Lichtquelle UHP-Lampe Kurzbogenlampe D2S-, D2R-Lampe
L2 Lichtquelle Halogenlampe Wolframgitter LED-Array (plan
angeordnet oder
kugelförmig ge-
krümmt)
L3 Lichtquellen-
anordnung
direkter, erster Teil
des optischen
Systems
indirekt über
Prismenarrays
indirekt über
Lichtleiter
S
YNTHESE
108
Anordnungskonfigurationen für den DMD-Scheinwerfer
Tabelle 5.4: Auszug aus den DMD-Scheinwerfer-Anordnungen [8.7, MÖNCHMEIER, 2004]
Realisierung der Funktion Kurvenlicht KL
GL
Verteilung
DMD Optik-
anbindung KL durch Schwenken KL durch Schwenkspiegel
KL durch Flexprisma
Konzept 1 Konzept 2 Konzept 3
Spiegel
L-Anordnung
Konzept 4 Konzept 5 Konzept 6
Spiegel
V-Anordnung
Konzept 7 Konzept 8 Konzept 9
Spiegel
T-Anordnung
Konzept 10 Konzept 11 Konzept 12
Spiegel
Z-Anordnung
Konzept 13 Konzept 14 Konzept 15
Prisma
Konzept 16 Konzept 17 Konzept 18
Grundlichtverteilung GLV mit DMD
Prisma
mit Spiegel
S
YNTHESE
109
5.3.3 Dimensionierung
Die Dimensionierung des DMD- und auch des LCoS-Scheinwerfers, Kapitel 5.2, kann von
von der Lampe ausgehend, entlang dem optischen Strahlengang oder von der auf der Straße
gewünschten Lichtverteilung rückwirkend auf das Scheinwerfersystem oder anhand des
Etendué erfolgen.
1. „Rückwärts“-Dimensionierung
Der erste Ansatz in der Dimensionierung basiert auf den Leistungsanforderungen an die
angestrebten, maximal möglichen Lichtverteilungen, die sowohl die maximale Streubreite des
Scheinwerfers als auch eine maximale geometrische Reichweite bzw. maximale Lichtstärke
aufweisen müssen.
Kennzeichnend für die Leistungsfähigkeit des Scheinwerfers ist das Objektiv. Dieses
bestimmt zusammen mit dem Objekt, hier dem DMD-Chip, und dessen lokaler Leuchtdichte-
verteilung die maximale Leistungsfähigkeit des Systems. Für die erste Auslegung des DMD-
Scheinwerfers soll ein Einlinsensystem verwendet werden, das die erforderliche Abbildungs-
funktion vom DMD-Chip auf eine 10m-Messwand bzw. auf die 25m-Messsphäre der
gesetzlichen Beleuchtungsstärkemessung bzw. auf die Straße erlaubt.
2. „Vorwärts“-Dimensionierung
Der zweite Ansatz besteht in der Auslegung des Einkoppelstrahlengangs. Dieser wird
dominiert von der Leuchtdichte, der Abstrahlcharakteristik und dem Spektrum der Lichtquel-
le. Der Abbildungsmaßstab, d.h. das Verhältnis aus dem Abstand Lichtbogen zum nächsten
Reflektor gegenüber dem Abstand zwischen Reflektor und Zielfläche (DMD-Chip), hat
zusammen mit den Reflexions- und Brechungsgesetzen, den Fresnel’schen Reflexionen und
dem Etendué zur Folge, dass die Wendel- bzw. Lichtbogenbilder größer abgebildet werden.
Wie bei einer realen optischen Abbildung tritt ein Öffnungsfehler auf mit einer kaustik-
förmigen Lichtkonzentration im zweiten Brennpunkt. Das ist auch die Ursache dafür, dass die
Leuchtdichte in einem optischen System nie gesteigert werden kann.
Dieser Zusammenhang kann mit der Formel
β
α1
= bzw.
α
β1
=
berechnet werden, wobei α = Öffnungswinkel und β = Abbildungsmaßstab sind.
3. Etendué-Berechnung
Der dritte Ansatz besteht in der Betrachtung des Etendué, dem Produkt aus Fläche und
zugehörigem Raumwinkel sowohl im Einkoppelstrahlengang als auch im Auskoppelstrahlen-
gang. Das Etendué kann nicht verkleinert werden, im Gegenteil, es steigt im Gegensatz zur
S
YNTHESE
110
Leuchtdichte von der Lichtquelle über den DMD-Chip zur Auskoppeloptik hin an. Die
Auslegung einer Feldlinse als möglichst effizientes Bindeglied zwischen der Einkoppeloptik
und der Auskoppeloptik ist Teil dieses dritten Ansatzes. Der DMD-Chip mit dessen maxima-
lem Schwenkwinkel von +/-12° und dessen begrenzter Gesamtspiegel-Fläche von 10 x
14mm² ist die limitierende Größe der Etendué-Betrachtung. Der Schwenkwinkel von +/-12°
ermöglicht nur eine Trennung der Strahlengänge von 24°, wenn von einer senkrechten
Strahlauskopplung ausgegangen wird. Der Einkoppelstrahlengang muss so ausgelegt sein,
dass das Etendué bis zum DMD-Chip nicht größer ist als der DMD-Chip maximal „verarbei-
ten“ kann, da sonst die Lichtstrom-Verluste innerhalb des optischen Systems durch Beschnitt
des optischen Strahlenbündels zusätzlich ansteigen. Um eine lichtstarke Abbildung des DMD-
Chips zu erhalten, muss die dem DMD-Chip am nächsten liegende Auskoppellinse einen
großen Durchmesser aufweisen. Die straßenseitige Lichtaustrittsfläche der Auskoppeloptik
sollte ebenfalls groß dimensioniert sein, damit die mittlere Leuchtdichte der Lichtaustrittsflä-
che möglichst gering ist. Dadurch wird die Blendung für den Gegenverkehr minimiert. Ein
Ausgleich zwischen den Optimierungsgrößen einer lichtstarken Einkopplung und einer
lichtstarken Auskopplung kann durch den geringen Schwenkwinkel der DMD-Mikrospiegel
(geometrie- und wirkungsgradbedingt) zur Durchdringung der Strahlengänge und zu einem
gegenseitigen Beschnitt der Linsenflächen der Ein- bzw. Auskoppeloptik führen. Dieser
Beschnitt bewirkt eine Vignettierung. Letztere lässt sich nur teilweise vermeiden. Eine
zukünftige Möglichkeit könnte in einer diffraktiven Struktur mit möglichst hohem Wirkungs-
grad als „Feldlinsen-Ersatz“ im Einkoppelstrahlengang liegen.
Beschreibung der unterschiedlichen DMD-Optikkonzept-Anordnungen
Die unterschiedlichen Anordnungen der Optik-Komponenten können der Offenlegungsschrift
zu den DMD-Scheinwerfern [8.8, KAUSCHKE, 2003-5] entnommen werden. Bewertungen
der Anordnungen sind in den Diplomarbeiten von [8.7, NÖLKEL, 2002], [8.7, SPRENGER,
2003], [8.7, MÖNCHMEIER, 2004] und [8.7, TAUBENRAUCH, 2004] vorgenommen
worden, insbesondere in der Diplomarbeit von TAUBENRAUCH.
Leistungsanforderungen an den Chip
Der DMD-Chip, der exklusiv von Texas Instruments (ti) für den Consumer- und Office-
Bereich hergestellt und vertrieben wird, stellt das prinzipbestimmende Funktionselement dar.
Da am Beginn der Einführung des DMD aktiven Scheinwerfers nur relativ geringe Stückzah-
len zu erwarten sind, sind kundenspezifische Änderungen an dem sehr aufwändig in zahlrei-
chen mikrolithografischen Prozess-Schritten herzustellenden Chip kaum zu erwarten. Der
bisherige Preis des DMD-Chips ist noch relativ hoch, einmal sicherlich bedingt durch die
Monopol-Stellung von Texas Instruments, auf der anderen Seite evtl. auch wegen der relativ
hohen Ausschussrate in den mikrolithografischen Prozess-Schritten. Um die Kosten für den
DMD-Chip zu senken, besteht die Überlegung auch Chips mit einzelnen Defektpixeln bzw.
Defektbereichen zu verwenden. Untersuchungen bei [8.7, REINSDORF, 2004] haben
ergeben, Abbildung 5.12, dass im Vorfeld der Ausleuchtung und oberhalb der Hell-Dunkel-
S
YNTHESE
111
Grenze des Stadtlichts einzelne Defektpixel für den Fahrer nicht störend sind. Die oberen
Randbereiche der Fernlichtausleuchtung können größere Defektbereiche aufweisen, da sie
vom Fahrer kaum wahrgenommen werden. Um die Zuverlässigkeit des DMD-Chips trotz
einzelner Defektpixel zu gewährleisten, dürfen im Chip-Gehäuse keine losen Teilstücke
verbleiben, damit diese keine funktionsfähigen Mikrospiegel blockieren.
Abbildung 5.12: Übersicht der zulässigen Defektpixel innerhalb der Lichtverteilung
Der Abbildungsmaßstab des DMD-Chips variiert auf der relativ zur Lichtabstrahlrichtung des
DMD-Scheinwerfers sehr flach geneigten Straße, wie in Tabelle 5.5 dargestellt.
Tabelle 5.5: Abbildungsmaßstab der DMD-Pixel und Pixelabbildgröße auf der Straße
Entfernung der Straße vom Scheinwerfer
(DMD-Chip mit 1024 x 768 Pixel) (b x h)
vertikale Pixelabbildgröße auf
der Straße in dieser Entfernung
Abbildungsmaßstab
für Breite b; Höhe h
5 m 7,9 x 2,3 mm² (b x h)
1:576 ; 1:168
10 m 15,8 x 4,6 mm² (b x h)
1:1.153; 1:336
25 m 39,4 x 11,5 mm² (b x h)
1:2.882; 1:839
50 m 78,9 x 23,0 mm² (b x h)
1:4.612; 1:343
100 m 157,7 x 45,9 mm² (b x h)
1:11.530; 1:3.357
140 m 220,8 x 64,3 mm² (b x h)
1:16.141; 1:4.699
200 m 315,5 x 91,8 mm² (b x h)
1:23.059; 1:6.713
keine Defekt
pixel in diesem Bereich zulässig
Bereich kann komplett defekt sein
Defektpixel mit Größe 1x1 in diesem Bereich zulässig
1024 Spiegel
768 Spiegel
S
YNTHESE
112
Anpassung der Breite der Ausleuchtung an die Erfordernisse des Kfz-Scheinwerfers
Heutige Kfz-Scheinwerfer haben eine Lichtverteilung, die eine Breite der Ausleuchtung von
+/- 45° und eine Höhe der Ausleuchtung von –15° und +5° aufweisen. Für die Gesamtaus-
dehnung der Lichtverteilung ergeben sich daher Winkelsummen von horizontal 90° und
vertikal 20°. Diese Winkelsummen lassen sich ins Verhältnis zueinander setzen, wodurch das
Aspektverhältnis gebildet wird. Das Aspektverhältnis stellt dabei das Verhältnis aus Breite
zur Höhe der Ausleuchtung dar.
Bisherige Videoprojektoren haben auf Grund von Fernsehnormen ein Aspektverhältnis von
4:3 bzw. von 16:9. Diese beiden Aspektverhältnisse sind allerdings den Erfordernissen einer
Kfz-Lichtverteilung, die ein Aspektverhältnis von 9:2 aufweist, nicht angepasst. Daher sind
Maßnahmen erforderlich, die eine solche Anpassung ermöglichen:
1. Anpassung des DMD-Chip-Aspektverhältnisses
2. Umfeldverspiegelung der DMD-Chipfläche
3. Variation der Abbildungsbedingungen der Auskoppeloptik
1. Anpassung des DMD-Chip-Aspektverhältnisses
Da die Chipfläche durch die Auskoppeloptik auf der Straße abgebildet wird, ist eine definierte
Beziehung durch den Abbildungsmaßstab zwischen dem Aspektverhältnis der Chipfläche und
der räumlichen Ausdehnung des Abbilds des DMD-Chips auf der Straße gegeben. Zur
Einführung des DMD-Scheinwerfers in den Markt werden nur relativ geringe Stückzahlen
von DMD-Chips gefordert im Vergleich zu den Stückzahlen der Büro- und Homeentertain-
ment-Anwendungen. Daher war Texas Instruments bisher nicht bereit einen DMD-Chip zu
entwerfen, der gezielt auf den Erfordernissen des Kfz-Marktes angepasst ist. Der hierfür
erforderliche Entwicklungsaufwand liegt dabei nicht nur im inneren Chipdesign, sondern auch
in der hermetischen Einhausung der Mikrostrukturen, damit äußere Einflüsse ausgeschlossen
werden können.
2. Umfeldverspiegelung
Die Breite der Ausleuchtung kann über eine seitliche Verspiegelung des Chipumfeldes
aufgeweitet werden. Dabei ist für die Ausrichtung der seitlichen Verspiegelung eine solche
Orientierung der Spiegelflächen vorzusehen, dass das eingekoppelte Licht, wie bei den
Mikrospiegeln in ihrer Nutzlichtstellung, in das Auskoppellinsensystem fällt. Für die Orien-
tierung der Umfeldverspiegelung sind daher Spiegelnormalen erforderlich, die bei einer
Lichteinkoppelung von unten unter ca. –17°, um –12° nach unten und um –12° nach rechts
relativ zur Normalen des DMD-Chipgehäuses orientiert sind (Blick auf die DMD-
Spiegelfläche). Weiterhin ist die Position der Umfeldverspiegelung so zu wählen, dass sie die
Hell-Dunkel-Grenze des DMD-Chips seitlich verlängert. Wird dagegen eine Einkopplung des
Lichtes von oben gewählt, so sind die entsprechenden Winkelbedingungen umzukehren,
S
YNTHESE
113
damit die Orientierung der Spiegelnormalen der Umfeldverspiegelung der Nutzlichtstellung
der Mikrospiegel des DMD-Arrays auch in diesem Fall entsprechen. Kennzeichen der
Umfeldverspiegelung ist deren statischer Aufbau, wodurch eine Höhenvariation der seitlichen
Ausleuchtung, d.h. der HDG, im späteren Betrieb des Scheinwerfers nicht mehr möglich ist.
Eine softwaretechnisch angesteuerte, vertikale Verschiebung der Hell-Dunkel-Grenze hat
daher keinen Einfluss auf die statische Umfeldverspiegelung des DMD-Chips. An die
Umfeldverspiegelung werden darüber hinaus folgende Anforderungen gestellt:
1. gleiche / möglichst gleiche Abbildungsebene: nahtloses Anschließen an die Mikro-
spiegel bei der Abbildung
2. Anpassung des Auskoppelstrahlengangs an das breitere, abzubildende DMD-Objekt
3. keine Abschattung der DMD-Chipfläche durch die Umfeldverspiegelung
4. hohe Güte der Ebenheit der Umfeldverspiegelungsflächen, um Streulicht zu vermei-
den
5. Anpassung des Einkoppelstrahlengangs an die vergrößerte Gesamtspiegelfläche
6. Ideal wäre eine Integration der Umfeldverspiegelung in den DMD-Chip (in das herme-
tisch abgeschlossene Vakuum, um dieselbe Abbildungsebene zu erzielen)
3. Variation der Abbildungsbedingungen der Auskoppeloptik
Eine Variation der Abbildungsbedingungen der Auskoppeloptik stellt eine Alternative zur
Anpassung des Aspektverhältnisses zwischen dem DMD-Chip und der Lichtverteilung auf
der Straße dar. Das Abbildungsverhältnis wird durch den Abbildungsmaßstab definiert, der
sich aus dem Abstand der Hauptebenen der Linse zu dem Objekt bzw. zu dem Bild berechnen
lässt. Da eine reale Abbildung erforderlich ist, kommt nur eine insgesamt sammelnde Optik in
Betracht. Diese kann aus mehreren Linsen, auch teils aus konkaven Linsen aufgebaut sein.
Prinzipiell wäre eine Abbildung mit einer möglichst kurzbrennweitigen Optik sinnvoll, da
dadurch der Abbildungsmaßstab zu Gunsten einer größeren horizontalen Spreizung der
Lichtverteilung und damit einer gewünschten größeren Breite der Abbildung geändert wird.
Die Ein- und Auskoppelstrahlengänge erfordern einen großen Strahldurchmesser, damit die
Abbildung möglichst lichtstark wird. Gleichzeitig soll der limitierende Faktor des Etendué des
optischen Systems an dem begrenzenden Element des DMD-Chips maximal ausgeschöpft
werden. Sind die Einkoppel- und Auskoppelstrahlbündel zu groß gewählt, so tritt eine
Durchdringung der Strahlenwege und teilweise eine Bündelbegrenzung bzw. Vignettierung
der Strahlengänge durch die sich gegenseitig im Wege stehenden optischen Elemente auf,
wodurch die Abbildung lichtschwächer wird. Diesem Vorgehen stehen allerdings die geringen
Schwenkwinkel der Mikrospiegel des DMD-Arrays entgegen, die für einen geringen Winkel
zwischen dem Einkoppel- und dem Auskoppelstrahlenbündel sorgen. Daher kann ein
Mindestabstand zwischen DMD-Chip und erster Linse der Auskopplung nicht unterschritten
werden, wenn kein Beschnitt im Strahlengang oder eine Durchdringung erfolgen soll. Der
S
YNTHESE
114
Durchdringung der optischen Elemente kann durch einen größeren Abstand der Linsen von
der DMD-Chipfläche begegnet werden. Das führt jedoch zu einer erhöhten Baugröße des
Systems und zu einem geringeren Etendué. Der begrenzte Bauraum an der Fahrzeugfront
limitiert diesen Ansatz. Dem erhöhten Bauraumbedarf kann durch den Einsatz von Spiegeln,
welche den Strahlengang falten, oder durch den Einsatz von Prismen begegnet werden.
Beim Einsatz einer Zylinderlinse wird das Aspektverhältnis der Abbildung nur in einer
senkrecht zur optischen Achse stehenden Koordinate angepasst. Je nach Wahl des Krüm-
mungsradius der Zylinderlinse ist die Spreizung des Abbildes des DMD-Chips unterschied-
lich stark ausgeprägt. Dabei tritt teilweise auch eine unscharfe Verzerrung der Abbildung auf.
Wenn dieser Ansatz durch eine zweite Zylinderlinse ergänzt wird, dann werden die abbilden-
den Eigenschaften der Sammellinse auf zwei Zylinderlinsen „verteilt“. Die erste Zylinderlinse
legt dabei mit ihrer minimalen Brennweite die maximal mögliche horizontale Breite der
Abbildung fest. Die zweite Zylinderlinse bildet die vertikale Öffnung des Strahlenbündels ab.
Die Breite der zweiten Zylinderlinse muss auf die Breite des durch die erste Linse geweiteten
Strahlenbündels angepasst werden. Wird anschließend noch eine Zerstreuungslinse eingesetzt,
so wird das gesamte Abbild der Lichtverteilung nochmals sowohl horizontal als auch vertikal
geweitet. Die Kombination aus zwei Zylinderlinsen wird in [8.6, HAFERKORN, 2003] auch
als Zylinderlinsenaplanat bezeichnet.
In Kinoprojektoren werden mehrerer Prismen eingesetzt, die das Aspektverhältnis des Films
der Breitbild-Projektion anpassen.
Alternativ zu den Zylinderlinsen oder Prismen können Spiegel eingesetzt werden. Anstelle
der für eine Aspektverhältnisanpassung nicht anwendbaren Planspiegel sind zylindrisch
gekrümmte Spiegel geeignet. Die optische Wirkung dieser zylindrisch gekrümmter Spiegel
entspricht der von Zylinderlinsen, wobei der Strahlengang durch die Spiegelreflexion
umgelenkt wird.
Der Einsatz von einem FF-Spiegel gemeinsam für die Ein- und Auskopplung des Strahlensys-
tems wird als problematisch angesehen, da die Lichtwege von einkoppelndem und auskop-
pelndem Strahlbündel durch die Verkippung der Mikrospiegel unterschiedliche sind. Beide
Strahlenbündel sind diagonal gegeneinander versetzt. Hierbei geht der divergierende Strahl-
durchmesser jeweils von den DMD-Chip-Spiegelflächen aus. Ohne eine eindeutige Zuord-
nung der FF-Spiegelflächen auf eine Lichtrichtung ist deren Berechnung nicht mehr eindeu-
tig.
Wirkungsgrad des optischen Systems
Einflussgrößen für den Wirkungsgrad des Gesamtsystems DMD-Scheinwerfer sind:
Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems setzt sich zusammen aus dem Produkt des Wirkungs-
grads der Lampe und dem des optischen Systems. Hier soll nur das optische System genauer
betrachtet werden, und zwar hinsichtlich folgender Gesichtspunkte:
S
YNTHESE
115
1. Abbildungs-, Transmissions- und Reflexionsverluste der Einkoppel- und der Auskop-
peloptik
2. Vormodellierung der Lichteinkopplung auf dem DMD-Chip
3. Schaltspiegel im Einkoppelstrahlengang
4. DMD-Chip
5. Softwaretechnische Ansteuerung
6. Absorberlichtnutzung
7. Umfeldverspiegelung zur Erzeugung einer Grundlichtverteilung
1. Abbildungs-, Transmissions- und Reflexionsverluste der Einkoppel- und der
Auskoppeloptik
Das Gesamtsystem DMD-Scheinwerfer wird in seinem Wirkungsgrad bestimmt durch die
Abbildungs- und Transmissionsverluste der Einkopplung des Lichtbündels auf den DMD-
Chip und der Auskopplung des Abbildes des DMD-Chips auf die Straße.
Die Reflexionsverluste innerhalb des Systems werden von den Reflexionsgraden der Oberflä-
chen und dem Gesamtwirkungsgrad des DMD-Chips, d.h. dem Produkt aus Reflexionsgrad
der Mikrospiegel und dem Flächennutzungsgrad der DMD-Chip-Fläche bestimmt.
Die Entfernung der Lichtquelle vom DMD-Chip hat Konsequenzen für die minimale Abbil-
dungsgröße der Wendellänge bzw. des Lichtbogens auf dem DMD-Chip. Dieser Abbil-
dungsmaßstab legt die maximale Leuchtdichte und damit die maximal resultierende Licht-
stärke des DMD-Scheinwerfers fest. Daher sollte für Anwendungen, die eine hohe Lichtstärke
erfordern, z.B. bei Scheinwerfern, die Lichtquelle so nah wie möglich an den DMD-Chip
herangerückt werden.
Da das Licht auf dem DMD-Chip fokussiert wird, tritt innerhalb des DMD-Chips ein
Temperaturgradient auf. Damit dieser die Lebensdauer des DMD-Chips nur minimal redu-
ziert, muss für eine gute Kühlung des Chips gesorgt werden. Bei der Verwendung von
Prismen nahe dem DMD-Chip ist darauf zu achten, dass der Temperaturgradient in dem
Prisma nicht zu hoch wird, da sonst eine Zerstörung durch thermische Spannungen hervorge-
rufen werden kann.
2. Vormodulierung der Lichteinkopplung auf dem DMD-Chip
Eine Einkopplungs-Vormodellierung des Lichtbündels auf dem DMD-Chip steigert den
Wirkungsgrad des DMD-Scheinwerfersystems gegenüber einer homogenen Einkopplung
bzw. Ausleuchtung des DMD-Chips. Die optimale Vormodellierung der Lichtverteilung ist so
dimensioniert, dass die gewünschte Intensität auf der Straße in den meisten Fällen auch ohne
S
YNTHESE
116
ein zeitweises lokal notwendiges Dunkeltasten der Chipfläche und damit einer zeitweisen
Verringerung des Wirkungsgrades erzielt wird.
3. Schaltspiegel im Einkoppelstrahlengang
Mit einem Schaltspiegel, der den Lichtstrom entweder auf den DMD-Chip oder an ihm vorbei
lenkt, kann der DMD-Chip je nach Lichtfunktion teilweise oder ganz umgangen werden,
wodurch der Wirkungsgrad des Systems erhöht wird, da die Lichtstromverluste der Nutzlicht-
stellung des DMD-Chips entfallen. Anwendung könnte ein solcher Schaltspiegel bei der
Umschaltung zwischen Fernlicht und einer vom aktiven Scheinwerfer modulierten Lichtver-
teilung finden.
4. DMD-Chip
Wird die Energiebilanz des DMD-Scheinwerfers betrachtet, so wird deutlich, dass der
Hauptverlustbringer der DMD-Chip selbst ist, der mit einem effektiven Wirkungsgrad von
68% [8.2, DGaO 2002, RIECHE] angegeben wird. Dieser Wirkungsgrad wird gebildet aus
dem Produkt des Flächennutzungsgrades, d.h. dem Verhältnis aus verspiegelter Chipfläche
zur Gesamtfläche des DMD-Chips und dem Reflexionskoeffizienten für das Gesamtsystem,
der sich aus dem Reflexionsgrad der Mikrospiegelflächen und dem Transmissionsgrad der
Abdeckscheibe des DMD-Chips zusammensetzt. Hierfür gilt
FNGGlasDMDGes
ατρη ⋅⋅=
2
, wobei
η
Ges
= Gesamtwirkungsgrad, ρ
DMD
= Reflexionsgrad der DMD-Mikrospiegel, τ
Glas
= Trans-
missionsgrad der Abdeckscheibe und α
FNG
= Flächennutzungsgrad sind.
5. Softwaretechnische Ansteuerung
Wichtiges Kennzeichen der DMD-Scheinwerfer-Systemkonfiguration ist die Abhängigkeit
des Wirkungsgrades des Gesamtsystems von der eingestellten Scheinwerferlichtfunktion und
damit der Softwareansteuerung des DMD-Chips. Das ist die Folge des subtraktiven Wir-
kungsprinzips des DMD-Scheinwerfers, bei dem der nicht innerhalb der Lichtverteilung
genutzte Lichtstrom auf einen Absorber gelenkt wird, der den ungenutzten Lichtstrom in
Wärme und damit in Infrarotstrahlung wandelt. Wird die volle Ausleuchtung der DMD-
Chipfläche verwendet, so ist der softwaretechnisch bedingte Wirkungsgrad maximal, da dann
alle Mikrospiegel in ihre Nutzlichtstellung geschwenkt sind, in welcher der Lichtstrom durch
das Objektiv gelenkt wird. Dieser maximale softwaretechnische Wirkungsgrad wird bei der
Fernlichtverteilung des Gesamtsystems erzielt.
Bei allen weiteren Lichtverteilungen, Abbildung 5.13, werden Teile der Lichtverteilung auf
den Absorber gelenkt, wodurch sich das Verhältnis von erzeugtem Lichtstrom und tatsächlich
auf der Straße genutztem Lichtstrom verschlechtert. Der maximale Lichtstrom der Fernlicht-
verteilung von > 1700 lm verringert sich z.B. auf den Lichtstrom von 1150lm beim Abblend-
licht. Ein Abblendlichtverteilungsvorfeld niedriger Leuchtdichte lässt den genutzten Licht-
strom auf z.B. 440 lm (bei geringem Vorfeldgradient der Lichtverteilung) weiter absinken.
S
YNTHESE
117
Abbildung 5.13: Lichtstromverläufe der subtraktiven DMD-Lichtverteilungserzeugung
6. Absorberlichtnutzung
Bei der Dimensionierung eines DMD-Scheinwerfers stellt sich die Frage, ob eine Wirkungs-
graderhöhung durch die Nutzung des Absorberlichtes erzielt werden kann. Dabei werden auf
den zwei Winkelstellungen des DMD-Chips beruhende Anwendungsmöglichkeiten nachfol-
gend betrachtet:
1. Licht wird innerhalb der Lichtverteilung genutzt oder auf einen Absorber gelenkt und
in Wärme (IR-Strahlung) gewandelt.
2. Licht wird in eine erste oder in eine zweite Richtung innerhalb der Lichtverteilung
gelenkt.
Der erste Anwendungsfall wird bei DMD-Videoprojektoren eingesetzt, wobei das Ausblen-
den von Lichtbündeln, d.h. Umlenken von Lichtbündeln auf den Absorber, stets mit Leis-
tungsverlusten verbunden ist. Diese Leistungsverluste sind auch bisher Kennzeichen der
Projektionsscheinwerfer. Bei ihnen wird der Lichtstrom, der für Lichtverteilungen mit einer
angehobenen HDG (Autobahnlicht) oder keiner HDG (Fernlicht) stets vorrätig gehalten wird,
in der Lichtfunktion Abblendlicht auf die Blende gelenkt. Die Blende wird je nach Lichtver-
teilung aus dem Strahlengang herausgeschwenkt oder um ihre eigene Achse rotiert. Alternativ
lassen sich kippbare Blenden oder rotierende Blendenscheiben bzw. -kegel bei Projektions-
scheinwerfern von Wettbewerbern der Hella KGaA finden. Der auftretende Energieverlust ist
100
1000
10000
100000
UHP-Lampe
Ellipsoidreflektor
Einkoppellinsen
DMD-Chip
Flächennutzungsgrad
DMD-Chip
Auskoppeloptik
Lichtverteilungen
Einkoppeloptik Mitteloptik Auskoppeloptik
Lichtstrom [lm] .
DMD-Lichtstromverlauf
Fernlicht
Autobahnlicht
Abblendlicht
Stadtlicht
Nebellicht
S
YNTHESE
118
von den Kunden allerdings nicht gewünscht und soll in zukünftigen Scheinwerferkonzepten
nach Möglichkeit vermieden werden.
Im zweiten Anwendungsfall der digitalen Lichtstromumverteilung tritt eine logische Ver-
knüpfung zwischen Bereichen innerhalb der Lichtverteilung auf, die nur wechselweise
ausgeleuchtet werden können. Das hat zur Folge, dass die Summe des Lichtstroms innerhalb
der Lichtverteilungen stets konstant bleibt, sieht man von unterschiedlichen Verlusten
innerhalb der alternativen optischen Wege ab. Diese wechselseitige Verknüpfung ist beim
Entwurf des Scheinwerfersystems mit fest definierten Lichtverteilungen bei unterschiedlichen
Hell-Dunkel-Grenzen in Teilen möglich. Werden allerdings fahrerspezifische oder situations-
abhängige Änderungen innerhalb der Lichtverteilung zugelassen, dann verändert sich der
umgelenkte Lichtstrom in variabler Höhe. Die alternativ mit dem umgelenkten Lichtstrom
angeleuchteten Bereiche der Lichtverteilung sind dabei denselben Schwankungen der
räumlichen Zuordnung, der Divergenz des Strahlenbündels und der veränderten Lichtstärke
unterworfen. Treten diese Änderungen in rascher Folge auf, so werden diese vom Fahrer
sicherlich als störendes Pulsieren bzw. irritierende Variationen im Randbereich oder im
Vorfeld der Lichtverteilung empfunden werden. Bei den Lichtfunktionen Markierendes Licht
und Displaylicht sind die Variationen innerhalb der Lichtverteilung demgegenüber auf
kleinere Bereiche innerhalb der Lichtverteilung beschränkt, wodurch eine logische Verknüp-
fung mit anderen Bereichen der Lichtverteilung noch weniger sinnvoll sind. Eine Fallunter-
scheidung zwischen Markierendem Licht mit positivem und negativem Kontrast oder
blinkender Beleuchtung soll an dieser Stelle nicht weiter vorgenommen werden.
Bei den Lichtfunktionen Displaylicht und Markierendes Licht könnte die logische Verknüp-
fung durch einen Integrator aufgehoben werden, der die räumliche Zuordnung von dunkelge-
tasteten Bereichen auf dem DMD-Chip und der möglichen Lichtlenkung in andere Bereiche
der Lichtverteilung aufhebt.
Damit der auf den Absorber fallende Lichtstrom sinnvoll genutzt werden kann, ist ein
separater Strahlengang erforderlich. Das liegt daran, dass ein Schwenken der Lichtbündel
innerhalb eines optischen Linsensystems mit denselben Krümmungsradien nur zu einem
veränderten Lichtweg führt, das Abbild des DMD-Mikrospiegelarrays in der Bildebene aber
an der konstanten Stelle bleibt.
Der Einsatz eines zweiten DMD-Chips nur für den Absorberstrahlengang erhöht die Kosten
des Systems und reduziert den nutzbaren Lichtstrom des Absorberstrahlengangs des ersten
DMD-Chips noch zusätzlich. Die Vor- und Nachteile der Absorberlichtnutzung sind in
Tabelle 5.6 zusammengefasst.
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119
Tabelle 5.6 Vor- und Nachteile der Absorberlichtnutzung
Vorteile der Absorberlichtnutzung Nachteile der Absorberlichtnutzung
mehr Lichtstrom für eine größere Streubreite 2. Strahlengang notwendig
höherer Gesamtlichtstrom innerhalb jeder
Lichtverteilung
Streubreite variiert je nach logischer Verknüpfung
mit den ausgeblendeten Bereichen
Energiebilanz bleibt annähernd konstant bei jeder
Lichtfunktion
beim Markierungs- und Displaylicht,
bei der kollektiven Ausleuchtung und
beim dynamischen Kurvenlicht (software-
technische Lösung) ist eine logische Verknüpfung
mit anderen Bereichen der Lichtverteilung nicht
sinnvoll
bei fahrerspezifischem Licht ist eine logische
Verknüpfung mit anderen Bereichen der Lichtver-
teilung wenig sinnvoll.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Mehraufwand für eine Absorberlichtnutzung
den Nutzen einer geringfügig und zeitweise verbesserten Randausleuchtung nicht rechtfertigt
und deshalb hier nicht weiter verfolgt wird.
7. Umfeldverspiegelung zur Erzeugung einer Grundlichtverteilung
Über eine Umfeldverspiegelung oder eine zusätzliche statische Grundlichtverteilung des
DMD-Scheinwerfers kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden, da in
diesen Lichtverteilungsbereichen der Wirkungsgrad des DMD-Chip mit seinen effektiv 68%
durch den wesentlich höheren Reflexionsgrad einer stetigen Spiegelfläche ersetzt wird,
wodurch das Gesamtsystem energieeffizienter arbeitet. Zusätzlich weist das System durch
eine Grundlichtverteilung eine erhöhte Zuverlässigkeit auf, da selbst bei einem Ausfall des
DMD-Chips oder dessen Ansteuerungselektronik die statische Grundlichtverteilung erhalten
bleibt, die dem Fahrer bei Dunkelheit das Lenken des Fahrzeugs zur nächsten Werkstatt
ermöglicht. Dadurch wird die Fail-safe-Sicherheit des Gesamtsystems erhöht.
Vibrationen und mechanische Schwingungen
Die Abbildungsgüte des Systems wird neben den optischen Eigenschaften auch durch die
Robustheit gegen mechanische Vibrationen bestimmt. Die mechanischen Erschütterungen und
Beschleunigungsspitzen können die Mikrospiegel des DMD-Chips in ihrer Position beeinflus-
sen. Darüber hinaus kann der Lichtbogen der UHP-Kurzbogenlampe schwingen. Das führt zu
Unregelmäßigkeiten innerhalb der Lichtverteilung. Die optischen Komponenten des Strahlen-
ganges sind ebenfalls möglichst stabil zu befestigen, da auch sie mit ihren Erschütterungen
und Eigenresonanzfrequenzen zu Bildstörungen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung
führen können. Bei Nachtfahrten wurden bisher innerhalb der Lichtverteilung im Vorfeld
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120
Unregelmäßigkeiten festgestellt. Deren Ursache konnte bei Vibrationsuntersuchungen auf
einem Schwingungsprüfstand noch nicht eindeutig festgestellt werden.
Geometrie und Lebensdauer der DMD-Mikrospiegel
Ein Nachteil der bisherigen DMD-Mikrospiegelarrays besteht in der diagonal angeordneten
Schwenkachse der Mikrospiegel, die zu einer aufwändigeren Optik führen. Die diagonal
angeordnete Schwenkachse ist von Texas Instruments gewählt worden, damit die Länge der
Torsionsgelenke der Mikrospiegel möglichst groß ist, wodurch größere Schwenkwinkel,
geringere Rotationsbewegungen um die Spiegelnormale und geringere Torsionsspannungen
innerhalb der Torsionsgelenke erzielt werden. Durch diese Vorteile kann die Lebensdauer der
Torsionsgelenke, messbar in deren Schaltzyklen, erhöht werden. Alternativ lässt sich dadurch
die Chiptemperatur erhöhen, da durch die geringen Torsionsspannungen die Gefahr von
Relaxationsprozessen, d.h. Verlängerung der Torsionsgelenke bei dauerhafter Auslenkung in
eine Richtung reduziert werden können.
5.3.4 Konstruktiver Aufbau des DMD-Scheinwerfers
Beim ersten Gesamtaufbau eines DMD-Scheinwerfer-Prototypen wurde darauf geachtet einen
möglichst flexiblen Aufbau zu haben, der unterschiedliche Aufbaukonfigurationen bietet.
Hierzu wurde, wie in Abbildung 5.14 dargestellt, ein Schienensystem verwendet, das auf
einer Lochrasterplatte unterschiedliche Anordnungen, d.h. variable Winkel zwischen der
Einkopplung und der Auskopplung des Strahlenganges ermöglicht.
Freiheitsgrade des Prototypenaufbaus
Auf dem Schienensystem sind die Optikkomponenten angeordnet. Sie können in ihrer
Position verschoben werden. Als Freiheitsgrade wurden bei der Lampe neben dem Verschie-
ben auf der optischen Achse, eine Variation der Lampenachsenhöhe und deren Neigung
vorgesehen. Die Abstrahlcharakteristik der Lampe und deren optische Achse lässt sich
dadurch auf das nachfolgend angeordnete optische System ausrichten. Die Linsen der
Lichteinkoppelung lassen sich ebenfalls auf der optischen Achse variabel positionieren. Damit
wird die Fokussierung des Lichtbündels auf den DMD-Chip und der maximal mögliche
Lichtstärkegradient auf dem DMD-Chip bestimmt. Insbesondere bei den Lichtstärken für
große Entfernungen ist die Leuchtdichteverteilung von großem Einfluss, da sie die maximalen
Beleuchtungsstärken und deren relative Breite festlegt. Über einen Umlenkspiegel, der als
Kaltlichtspiegel ausgeführt wurde, lässt sich der IR-Anteil der Lichteinkopplung auf den
DMD-Chip minimieren. Indem die Neigung des Spiegels über Feintriebe verändert werden
kann, ist es möglich, den Punkt der maximalen Lichtstärke innerhalb der Lichtverteilung in
der vertikalen und horizontalen Winkelposition zu verschieben. Mit einer Feldlinse wird das
einfallende Lichtbündel über den DMD-Chip auf die Auskoppeloptik abgebildet. Die
Feldlinse erlaubt mit großen Strahldurchmessern die Lichteinkopplung auf dem DMD-Chip
aufzubauen, wodurch eine besonders lichtstarke Lichteinkopplung und eine darauf abge-
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121
stimmte lichtstarke Lichtauskopplung möglich ist. Das den optischen Strahlengang limitie-
rende Etendué des DMD-Chips kann dadurch am besten ausgenutzt werden.
Abbildung 5.14: Konstruktiver Aufbau des DMD-Scheinwerfers
Mit der Auskoppeloptik wird die Größe der Abbildung des DMD-Chips auf der Straße und
die Breite der Ausleuchtung festgelegt. Das erfolgt durch den Abbildungsmaßstab, der durch
die Gesamtbrennweite des optischen Systems festgelegt wird. Mit geeigneten optischen
Mitteln kann das Aspektverhältnis des DMD-Chips angepasst werden. Hierzu wurden zwei
Zylinderlinsen gekreuzt angeordnet, wobei die Linsen mit ihren Brennweiten die Größe der
Abbildung in ihrer optisch aktiven Koordinatenrichtung festlegen. Eine Alternative besteht in
der Kombination aus einer Sammellinse und einem Zylinderlinsen-Aplanat. Die Sammellinse
übernimmt dabei die abbildenden Eigenschaften und eine Kombination aus einer sammelnden
und einer zerstreuenden Zylinderlinse weitet das Abbild in der horizontalen Orientierung. Die
Anordnung der Zylinderlinsen besteht in einer umgekehrten Fernlichtanordnung.
Mitteloptikanordnungen und deren Konsequenzen
Unter der Mitteloptik werden in dieser Arbeit die Anordnungen der Strahlengänge und die
Winkellagen der Lichtein- und Lichtauskopplung relativ zum DMD-Chip verstanden. Die
Lichteinkopplung kann unter einem Winkel von horizontal und vertikal geneigten 12°
erfolgen [8.7, NÖLKEL, 2002], vgl. auch Tabelle 5.3, Zeile An2, auf S.105. Die Neigung der
Lichteinkopplung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung ist Folge der um 45°
geneigten Drehachse der DMD-Mikrospiegel und deren einfachem Schwenkwinkel von 12°.
Das Reflexionsgesetz bewirkt bei einer Lichteinkopplung von 24° von unten eine senkrechte
DMD-
Chip
Auskoppeloptik
UHP-
Lampe
Um-
lenkspi
egel
Feldlinse
Signal-
zulei-
tungs-
box
DMD-
Ansteuerungs-
platine
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Lichtauskopplung in der unteren Nutzlichtstellung der Mikrospiegel. In der oberen Absorber-
lichtstellung der Mikrospiegel wird das Lichtbündel unter einem Winkel von 2 x 36° (=24° +
12°) = 72 ° abgelenkt.
Weitere Alternativen bestehen in einer senkrechten Lichteinkopplung oder einer noch stärker
geneigten Lichteinkopplung.
Die senkrechte Lichteinkopplung ermöglicht nur einen Abstand von insgesamt 48° zwischen
dem Auskoppelstrahlengang und dem Absorberstrahlengang. Die geringe Winkeldifferenz
kann zu einem reduzierten Kontrast im Auskoppelstrahlengang führen. Die Abbildungsquali-
tät des Auskoppelstrahlengangs ist schlechter, da der DMD-Chip und der Auskoppelstrahlen-
gang nicht senkrecht zueinander orientiert sind.
Bei einer stärker geneigten Lichteinkopplung verschlechtert sich die Abbildungsgüte des
DMD-Chips und dieser heizt sich zusätzlich auf. Daher wurde auch von dieser Alternative
Abstand genommen.
Als Anordnung wurde neben einer T-Konfiguration, siehe Abbildung 5.14, mit der die
höchste Beleuchtungsstärke erzielt wurde, auch eine Z-Konfiguration untersucht. Bedingt
durch die Abmessungen der DMD-Ansteuerungsplatine lässt sich nur eine Winkelanordnung
von ca. 30° zwischen dem Auskoppelstrahlengang und dem Einkoppelstrahlengang realisie-
ren. Eine Überlagerung der DMD-Lichtverteilung mit einer Grundlichtverteilung, die Teile
des Einkoppelstrahlenganges umfasst, wäre nur bei einer parallelen Orientierung von Ein- und
Auskoppelstrahlengang möglich gewesen. Die Grundlichtverteilung bietet eine breitere
Randausleuchtung des Abblendlichts. Ergänzend könnte der obere Teil der Ausleuchtung als
ein mit einem Schaltspiegel freigeschaltetes Fernlicht ausgeführt sein. Anstelle des Schalt-
spiegels könnte auch ein für IR-Strahlung durchlässiger Kaltlichtspiegel eingesetzt werden,
der eine IR-Fernlichtverteilung auf die Straße transmittiert, die durch ein IR-Nachtsichtsystem
ausgewertet und dem Fahrer auf einem Display zur Verfügung gestellt werden könnte.
Eine Umsetzung der Umfeldverspiegelung konnte mit dem bisherigen DMD-Chip-Design
nicht erfolgen, da die Umfeldverspiegelung nicht in derselben Abbildungsebene wie die
DMD-Mikrospiegel angeordnet werden konnte. Das hat zur Folge, dass die Umfeldverspiege-
lung auf der der Lichteinkopplung zugewandten Seite einen Schatten auf den DMD-Chip
wirft. Dieser Schatten kann bei einer vorgelagerten Umfeldverspiegelung nicht vermieden
werden, da die Lichteinkopplung und die Lichtauskopplung aus unterschiedlichen Winkeln
erfolgt. Auf der Lichteinkopplung abgewandten Seite des DMD-Chips sorgt die vorgelagerte
Umfeldverspiegelung für eine Abschattung des Lichts bei dessen Auskopplung und bei der
Absorberlichtstellung der Mikrospiegel. Beide Abschattungen sind von geringer Bedeutung,
da sie das ausgekoppelte Bild nur unwesentlich negativ beeinflussen.
Wichtige Voraussetzung für eine effiziente Nutzung der Umfeldverspiegelung ist eine
Anpassung der Lichteinkopplung, damit auch die Umfeldverspiegelung mit der gewünschten
Lichtstärke angestrahlt wird.
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123
Das Referenzobjektiv des Videoprojektors kann für die Umfeldverspiegelung nicht verwendet
werden, da in ihm eine Blende (in der Zwischenbildebene) eingefügt ist, die einen stark
divergenten Strahlenverlauf der Umfeldverspiegelung abschattet. Zusammengefasst ist die
Umfeldverspiegelung nach bisherigem Kenntnisstand eher als problematisch einzustufen, da
sie bisher keine lückenlose Ergänzung der über den DMD-Chip erzeugten Lichtverteilung
ermöglicht.
5.3.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit des DMD-Scheinwerfers
Die lichttechnische Leistungsfähigkeit des DMD-Scheinwerfers ist gekennzeichnet durch den
Wirkungsgrad der Lampe, der Einkoppeloptik, der Mitteloptik sowie des DMD-Chips und der
Auskoppeloptik. Die Effizienzbetrachtung des lichttechnischen Systems DMD-Scheinwerfer
wird in Kapitel 6.5.1 vorgenommen. Neben der elektrischen Leistung der Lampe lässt sich der
DMD-Scheinwerfer durch dessen maximalen Lichtstrom in der Fernlichtverteilung und die
maximale Streubreite der Lichtverteilung beschreiben. Die Gleichmäßigkeit der Lichtvertei-
lung ist ein weiteres Kriterium. Dieses wird in Kapitel 6.5.2 genauer betrachtet. Die Flexibili-
tät der Lichtverteilung wird durch das Auflösungsvermögen des DMD-Chips mit z.B. 1024 x
768 Pixeln = 786.432 Einzelspiegeln und den erzielbaren Kontrast innerhalb der Lichtvertei-
lung generiert. Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit der beiden aufgebauten Scheinwerfer-
Prototypen wird in Tabelle 5.7 vorgenommen.
Vergleich der Leistungsfähigkeit der DMD-Scheinwerferprototypen
Im Rahmen von vier Diplomarbeiten [8.7, NÖLKEL, 2002], [8.7, SPRENGER, 2003], [8.7,
MÖNCHMEIER, 2004] und [8.7, TAUBENRAUCH, 2004] wurden zwei DMD-Scheinwerfer
aufgebaut, Abbildung 6.1 und 6.2 in Kapitel 6.3, S.205.
Wie aus Tabelle 5.7 ersichtlich wird, haben die beiden DMD-Scheinwerfer unterschiedliche
Entwicklungsziele gehabt. Der erste DMD-Scheinwerfer (I) sollte eine möglichst lichtstarke
Lichtverteilung haben, deren Lichtstrom, Lichtstärke, resultierende Beleuchtungsstärke und
Kontrast maximiert wurde. Hierbei wurde ein größeres Optikbauvolumen und ein höherer
Leistungsbedarf in Kauf genommen. Beim zweiten DMD-Scheinwerfer (II) stand die
Bauraumminimierung und die Funktionserweiterung durch ein integriertes dynamisches
Kurvenlicht im Vordergrund. Durch den geringeren Leistungseinsatz steht beim zweiten
Prototyp allerdings ein geringerer maximaler Lichtstrom zur Verfügung. Dieser konnte nur
mit einer kleineren Lichtstärke auf die Straße gelenkt werden, sodass die maximale Beleuch-
tungsstärke abnahm. Dennoch wurde die Beleuchtungsstärke in 25m Entfernung um den
Faktor 5 gegenüber einem leistungsgleichen DMD-Videoprojektor gesteigert. Das optische
System des zweiten DMD-Scheinwerfers (II) hat u.a. im Kontrast noch Optimierungspotenzi-
al. Der Wirkungsgrad seines optischen Systems zeigt eine Verbesserung um 19%. Deutliche
Fortschritte wurden in der Bauraumminimierung erzielt, sodass das Bauvolumen der Optik-
einheit um 86% gesenkt werden konnte. Zusammengefasst ist der zweite DMD-Scheinwerfer
(II) ein großer Schritt in Richtung einer DMD-Scheinwerfer-Serienvorentwicklung.
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124
Tabelle 5.7: Leistungsfähigkeitsvergleich der DMD-Scheinwerfer-Prototypen
Kategorie DMD-Scheinwerfer (I) DMD-Scheinwerfer (II)
(noch nicht optimiert)
II vs. I
in %
Lichtverteilung Gesamtlichtverteilung aktiv Teillichtverteilung aktiv +
dynamisches Kurvenlicht
Erhöhung des Gesamt-
Wirkungsgrades /
Zusatzlicht-Funktionen
ausgekoppelte IR-Strahlung
könnte für Nightvision-HB
verwendet werden
Lichtverluste könnten für eine
Grundlichtverteilung verwendet
werden
Diplomarbeiten von: [8.7, NÖLKEL, 2002],
[8.7, SPRENGER, 2003]
[8.7, MÖNCHMEIER, 2004],
[8.7, TAUBENRAUCH, 2004]
Streubreite (bisher) +/-14,5° +/-14,8° + 2%
Leistungsbedarf 220 W 145 W -34%
maximaler Lichtstrom 1.750 lm 1.370 lm -22%
Maximale Beleuchtungs-
stärke
109 lx 53 lx -51%
Kontrast 1:800 1:72 -91%
Wirkungsgrad-Gesamt-
system (HB) in lm / W
7,95 lm / W (HB) bei ca.
22.000 lm Lampenlichtstrom
9,45 lm / W (HB) bei ca.
14.000 lm Lampenlichtstrom
+19%
Optikbauraum (h x b x l) 240 x 245 x 310 mm³ 80 x 120 x 270 mm³ -86%
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125
5.4 AMD-Scheinwerfer
5.4.1 Funktionssynthese
Ausgehend von den DMD-Mikrospiegelarrays, die bisher in Videoprojektoren eingesetzt
werden und die nur digital schaltbar sind, sollen diese Arrays zu analog ansteuerbaren
Mikrospiegelarrays (AMD) weiterentwickelt werden. Das AMD-Mikrospiegelarray hat
Einzelspiegel, die analog in beliebigen Winkelstellungen angesteuert werden können.
Darüberhinaus besitzt jeder Mikrospiegel bis zu zwei senkrecht aufeinander stehende
Schwenkachsen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil den Lichtstrom innerhalb einer Licht-
verteilung energetisch günstig umzuverteilen. Hierdurch bleibt die Gesamtenergiebilanz der
Scheinwerfer-Lichtverteilungen konstant, da jede Lichtverteilung denselben Lichtstrom in
einer unterschiedlichen Verteilung aufweist. Im Gegensatz zum DMD muss in vielen Fällen
kein Licht auf einen Absorber gelenkt werden. Die analogen Mikrospiegelarrays haben keine
digitale logische Verknüpfung zwischen den Schaltpositionen der Mikrospiegel. Eine logische
Entweder-Oder-Verknüpfung zwischen Bereichen einer Lichtverteilung besteht bei ihnen im
Gegensatz zu den DMD-Mikrospiegelarrays nicht. Die beiden senkrecht stehenden Drehach-
sen des AMD-Einzelspiegels ermöglichen eine hohe Variabilität in der Umverteilung des
Teillichtbündels eines AMD-Einzelspiegels innerhalb der Gesamtlichtverteilung des aktiven
Scheinwerfers.
Über eine Kooperation des L-LAB mit dem Fachgebiet Sensorik, Prof. Hilleringmann,
Universität Paderborn, wurden mehrere Mikrospiegelarrays aufgebaut, die analog ansteuerbar
und um zwei Achsen kippbar sind. Diese weisen universell einsetzbare Spiegelgeometrien auf
und können daher in unterschiedlichen Scheinwerferaufbauten verwendet werden. Diese
Mikrospiegel sind noch Technologie-Demonstratoren und die Leistungsfähigkeit des verwen-
deten Layouts ist bisher hinsichtlich Flächennutzungsgrad und Schwenkwinkel noch nicht
überzeugend. Daher werden voraussichtlich weitere Mikrospiegel in einem verbesserten Lay-
out aufgebaut. Bisher wird als Aufbauverfahren nur eine ebene Unilayer-Aufbautechnik für
die Mikrospiegel verwandt. Die Vor- und Nachteile dieses Verfahrens und die Eigenschaften
der analogen Mikrospiegel der Uni Paderborn werden in diesem Kapitel ebenfalls beschrie-
ben. Die Funktionsstruktur des AMD-Scheinwerfers lässt sich der folgenden Abbildung 5.15
entnehmen.
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126
Abbildung 5.15: Funktionsstruktur des AMD-Scheinwerfers
Varianten der analogen Mikrospiegelarrays
Als Funktionsprinzipien bei analogen Mikrospiegelarrays ergeben sich folgende Varianten:
1. einachsig, analog schwenkbare Mikrospiegelarrays
2. zweiachsig, analog schwenkbare Mikrospiegelarrays
3. Phasenshift-Arrays
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127
Je nach Anwendungsfeld können den Mikrospiegeln mit nur einer analog schwenkbaren
Achse weitere Mikrospiegel oder ein Makrospiegel nachgeschaltet werden, um die zweite
Schwenkbewegungsrichtung zu ermöglichen.
Unterschied zwischen phasenmodulierenden, phasen-schiebenden und lichtlenken-
den AMD-Spiegelstrukturen.
Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme, IPMS, arbeitet auf dem Gebiet der
Lichtmodulatoren mit mikromechanischen Spiegelarrays. Die Flächenlichtmodulatoren
(Surface light modulators, SLM) arbeiten mit deformierbaren Spiegelanordnungen. Sie
bestehen aus einem Array von unabhängig voneinander adressierbaren Mikrospiegeln, die mit
einer aktiven Matrix-Ansteuerung betrieben werden und die in einem CMOS-kompatiblen
Prozess hergestellt werden. Die Spiegelstrukturen werden in einer Opferschicht-Technik
hergestellt, wobei nach dem Aufdampfen einer Aluminiumschicht, der darunter liegende
Hohlraum freigeätzt wird. Es entstehen frei tragende Spiegelelemente mit darunterliegenden
Steuerelektroden, die über Aluminiumstützstrukturen getragen werden. Die Mikrospiegel
werden über eine Steuerspannung zwischen Spiegel und Steuerelektrode auslenkt, indem die
Spiegel auf Grund von elektrostatischen Kräften in Richtung der Steuerelektrode ausgelenkt
werden. Bisher werden diese Elemente ausschließlich zur Phasenmodulation eingesetzt. Über
eine Weiterentwicklung der Mikrospiegelelemente mit mehreren Adresselektroden lassen sich
auch Kippungen der Mikrospiegel realisieren, die das Lichtlenken erlauben. Als phasenmodu-
lierendes Element wird eine pyramidale Verformung von Spiegelecken verwendet [8.2,
FRAUNHOFER IPMS 2003], Abbildung 5.16 oben. Bei dem phasenschiebenden Element
werden die Mikrospiegel über eine Quadro-Lenker-Struktur in ihrer senkrechten Orientierung
zu den einfallenden Lichtstrahlen in Richtung ihrer Spiegelnormalen verschoben, Abbildung
5.16 unten.
Abbildung 5.16: Schematische Darstellung von Aufsicht, Querschnitt und resultierendem
Phasen-Profil für zwei verschiedene Mikrospiegelvarianten [8.2, FRAUNHOFER IPMS,
2003-1]
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128
In der vorliegenden Arbeit findet eine Beschränkung auf lichtlenkende Strukturen statt, deren
Spiegelnormale geschwenkt bzw. gekippt wird. Teilweise werden in der Literatur die
Mikrospiegelarrays auch als Mikro-Opto-Elektro-Mechanische-Systeme (MOEMS) in
Siliziumtechnologie bezeichnet.
[8.2, KIM, 2000] beschreibt die prozesstechnische Entkopplung in der Herstellung von
Mikrospiegelarrays. Dabei wird die Entwicklung von 3 Generationen von Mikrospiegelarrays
beschrieben, angefangen von einem Uni-Layer-Design zu einem Mehr-Layer-Thinfilm-
Micromirror-Array, bei dem die Spiegelfläche als separate Ebene über der piezoelektrisch
betätigten Auslenkstruktur angeordnet ist. Die 97µm Kantenlänge großen Spiegel werden um
eine Achse ausgelenkt.
Abbildung 5.17: Mikromechanische Scanner-Spiegel (1D und 2D) [8.2, FRAUNHOFER
IPMS, 2003-2]
Die in Abbildung 5.17 dargestellten mikromechanischen Scannerspiegel werden zur ein- und
zweidimensionalen Ablenkung von Licht eingesetzt. Sie werden in einem CMOS-
kompatiblen Prozess hergestellt. Die Ablenkwinkel von bis zu +/-30° werden bereits bei 20V
Antriebsspannung erreicht. Die Spiegelabmessungen liegen im Bereich von 0,5 x 0,5 mm² bis
3 x 3 mm² bei Scanfrequenzen von 150 Hz bis 32 kHz. Bei diesen Mikrospiegeln handelt es
sich um Resonanzscanner. Sie werden in der Barcode- und Symbolerkennung, der Objekt-
vermessung, der Projektion, der Endoskopie und der Laserkennzeichnung angewandt. [8.2,
FRAUNHOFER IPMS, 2003-2].
AMD-Chipdesign
Ausgehend von Mikrospiegeln aus der Literatur wurden elektrothermisch auslenkbare AMD-
Mikrospiegel [8.2, HILLERINGMANN, 2004] entworfen und aufgebaut.
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129
Bei dem AMD-Chip-Design der Einzelspiegel lassen sich folgende Möglichkeiten aufzeigen:
1. Quadratisch (bisheriges Design) mit 4 oder 3 Anlenkarmen
2. Rechteckig (Anpassung an Wendelbilder) mit 4 oder 3 Anlenkarmen
3. Dreieckig (symmetrisch und asymmetrisch) mit 3 Anlenkarmen
4. Sechseckig (symmetrisch und asymmetrisch) mit 3 oder 4 Anlenkarmen
5. Fünfeckig mit 3 oder 4 Anlenkarmen
Um einen hohen Flächennutzungsgrad zu erzielen, muss eine regelmäßige Fläche gefunden
werden, die ohne Lücken ein Master-Layout für eine Kette bzw. eine Matrix aus Einzelele-
menten darstellt und dadurch den Halbleiter-Nutzen effizient nutzt.
Bei der Aufhängung der Einzelspiegel kann für eine kontrollierte Kippbewegung in 2
Schwenkrichtungen eine 3-Punkt oder eine 4-Punkt-Aufhängung gewählt werden. Für große
Kippbewegungen sind lange Schwenkarme erforderlich, die teilweise mit spannungskompen-
sierenden Strukturen an die Spiegelfläche oder an eine Hilfs-Zwischenebene angelenkt
werden. Wird ein Ein-Ebenen-Layout gewählt, so sind die Auslenk- und Antriebsstrukturen
und die Leitungsbahnen der Stromzuführung ebenfalls in derselben Ebene angeordnet. Diese
beiden Supportstrukturen reduzieren allerdings den Gesamtflächennutzungsgrad des AMD-
Chips. Über eine sinnvolle Gruppierung von Einzelspiegeln kann die Zahl der Zuleitungen
deutlich reduziert werden und damit auch die Ansteuerungsproblematik erheblich vereinfacht
werden.
Die maximale Auslenkung der Einzelspiegel ist abhängig vom AMD-Chip-Design. Daher
können mit langen Halte- und Bi-Material-Strukturen große Auslenkungen erzielt werden.
Diese sind um so größer, je geringer der Abstand zwischen benachbarten Haltestrukturen an
die Einzelspiegelfläche ist, da der relative Hub zwischen benachbarten Haltestrukturen, die
Größe der Auslenkwinkel definiert. Spannungskompensierende Strukturen, die nachgiebig
sind und die Längenreduktion durch die räumlich schrägstehenden Haltestrukturen ausglei-
chen, erhöhen ebenfalls den Auslenkwinkel. Begrenzend für den Auslenkwinkel ist die
Einzelspiegelfläche und –dicke bzw. die Si-Wafer-Dicke. Bedingt durch das Aufbringen der
Nickel- / Titan-Heizmaterials an der Chip-Oberfläche, wird der AMD-Spiegel stets nach
unten ausgelenkt und stößt dabei an die Montagefläche des Chip-Gehäuses. Die Auslenkung
kann dabei durch die thermische Ausdehnung der Bi-Material-Streifen stets nur nach unten
erfolgen. Durch eine räumliche Umkehr dieser Strukturen könnte die Auslenkung nach oben
erfolgen, wodurch evtl. größere Auslenkungen möglich wären. Das lässt sich nach heutigem
Kenntnisstand technologisch nicht mikrolithographisch herstellen. Nur bei einer inversen
Montage wären die größeren Auslenkungen evtl. umsetzbar.
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Ein oder zwei Drehachsen
Eine Schwierigkeit bei mikrosystemtechnisch herstellten Elementen liegt darin, die Anbin-
dung an die „Makrowelt“ zu gewährleisten. Bisher wurde dabei die Verwendung eines
Elektronikchip-Gehäuses gewählt, in dem der AMD-Chip platziert wurde. Das Elektronik-
Chip-Gehäuse hat dabei neben der mechanischen Lagerung auch die Aufgabe der elektri-
schen, lösbaren Verbindung des AMD-Chips mit einer Ansteuerungsplatine sowie der
thermischen Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung zu erfüllen. Wird ein optisch transparentes
Abdeckglas verwendet, so kann zusätzlich ein Staub- und Feuchtigkeitsschutz für den AMD-
Chip erzielt werden. Eine Herausforderung innerhalb des AMD-Chip-Gehäuses besteht in der
elektrischen Verbindung der AMD-Chip-Zuleitungs-felder mit den inneren Kontaktstellen des
Chip-Gehäuses mit Bonddrähten. Da für jeden einzeln adressierbaren AMD-Spiegel bis zu 5
Zuleitungen (vier für die Leistungszufuhr der thermoelektrisch ausgelenkten Bi-Material-
Haltearme und eine Massezuleitung) erforderlich sind, werden zusätzlich hohe Anforderun-
gen an die Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit des Bondens und der AMD-Chip-
Herstellung und –Montage gestellt, damit die Yield-Rate, d.h. die Chip-Ausbeute pro
prozessiertem Silizium-Wafer möglichst hoch ist.
5.4.2 Modularisierung
Einkoppeloptik
Die Einkopplung des Lichtstroms auf das AMD-Mikrospiegelarray kann durch einen
Freiform-Reflektor erfolgen, Abbildung 5.18, der dafür sorgt, dass das AMD-Array un-
gleichmäßig oder auch homogen ausgeleuchtet wird. Bei einer ungleichmäßigen Ausleuch-
tung wird die reflektierte Lichtstärke der AMD-Mikrospiegel unterschiedlich hoch gestaltet,
sodass die Mikrospiegel mit einem hohen Lichtstrom und einer hohen Lichtstärke für die
Fernfeldausleuchtung verwendet werden können. Andere Bereiche können eher für unterge-
ordnete Beleuchtungsaufgaben verwendet werden. Maßgeblich bei der Ausleuchtung ist die
Divergenz des eingekoppelten Strahlenbündels. Diese wird bestimmt durch die reale Licht-
quellengröße sowie den Abbildungsmaßstab zwischen Lichtquelle, erstem Reflektor und
AMD-Array-Auftreffpunkt. Je nach Divergenz des Einkoppelstrahlenbündels wird ein
lichtstärkeres, kleineres Wendelbild oder ein lichtschwächeres, größeres Wendelbild über das
AMD-Array abgelenkt. Die Lage dieser Wendelbilder wird durch die Winkelstellung der
AMD-Mikrospiegel festgelegt. Die Orientierung der Wendelbilder wird durch die räumliche
Lage des Reflektorelements des ersten Reflektors relativ zur Lichtquellenposition bestimmt.
Durch die Verwendung eines Einkoppelreflektors und eines AMD-Arrays tritt bei diesem
Scheinwerfertyp eine Mehrfachreflexion an Freiform-Flächen auf. Theoretisch denkbar ist
auch die Nutzung des direkt in Richtung oder nahe der Richtung der Lage des AMD-Arrays
abgestrahlten Lichtstroms, wenn eine Linse für deren Lichtlenkung auf das AMD-Array oder
ein CPC- oder eine TIR-Optik verwendet wird, ähnlich Abbildung 5.18 Mitte. Das hat
allerdings zur Konsequenz, dass mehrere Wendelbilder über denselben AMD-Mikrospiegel
abgelenkt werden können, die zu einer Überlagerung der Wendelbildlage der beiden Lichtwe-
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ge auf der Straße führen. Wird für dieses direkt abgestrahlte Licht über ein zweites AMD-
Array gelenkt oder werden (Teil-)Bereiche des AMD-Arrays nur für das direkt abgestrahlte
Licht verwendet, Abbildung 5.18 links, so kann diese Zweideutigkeit vermieden werden.
Abbildung 5.18: AMD-Mikrospiegel-Anordnungen: Reflexions-AMD-Anordnung (links),
Projektions-AMD-Blendenanordnung (mittig) und
Projektions-AMD-Linsenanordnung (rechts)
Mitteloptik
Auf eine Mitteloptik kann bei der Reflexions-AMD-Anordnung, Abbildung 5.18 links,
verzichtet werden.
Bei der Projektions-AMD-Blendenanordnung, Abbildung 5.18 mittig, wird anstelle einer
Blende das AMD-Mikrospiegelarray eingesetzt. Der sonst an einer Blende in Wärme, d.h. IR-
Strahlung gewandelte Lichtstrom, wird hier beim Einsatz einer Freiform-Linse und einge-
schränkten Lichtbündeldivergenzen in andere Bereiche der Lichtverteilung gelenkt. Die
Flächen am Rand des Freiform-Ellipsoid-Reflektors sind Teile einer CPC-Optik.
In der Projektionsbauvariante des AMD-Scheinwerfers, Abbildung 5.18 rechts, kann zwi-
schen dem ersten Reflektor und dem AMD-Array eine Feldblende eingefügt werden, die eine
scharfe Begrenzung der Wendelbilder der Zwischenbildebene ermöglicht. Die Lage und die
Größe dieser Blende sollte so gewählt werden, dass die Lichtstromverluste minimal sind.
Je nach AMD-Anordnung kann anstelle der Feldblende, Abbildung 5.18 rechts, eine CPC-
oder TIR-Optik, Abbildung 5.18 mitte (links neben AMD-Array), eingesetzt werden.
Auskoppeloptik
Bei der Reflexions-AMD-Anordnung ist keine Auskoppelung erforderlich, da die Lichtvertei-
lung durch die Überlagerung der Wendelbilder geschieht.
Im Gegensatz zu optischen Konzepten mit einem DMD-Mikrospiegelarray wird beim AMD-
Mikrospiegelkonzept keine weitere optische Abbildung, Abbildung 5.18 rechts, vorgenom-
AMD AMD
AMD
Freiform-
Linse
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men. Das ist erforderlich, da jede nachgeschaltete Linse (keine Freiformlinse) das Mikrospie-
gelarray abbildet, wodurch die gezielt beim AMD gewünschte Änderung der Lage des
reflektierten Lichtbündels nicht mehr erfolgt. Durch die Verwendung einer konventionellen
Linse würde sich nur die Größe der projizierten, gekippten Spiegelfläche ändern, deren
räumliche Lage bliebe allerdings konstant. Je nach Kippstellung der Mikrospiegel ist dabei
die Abbildung der Spiegel mehr oder weniger lichtstark. Bei der Winkelstellung der Mikro-
spiegel, welche das Licht an der Linse vorbei und auf den Absorber lenkt, wird der gesamte
Lichtstrom dort in Wärme umgewandelt. Diese Ansteuerungsvariante des AMD-Chips
entspricht dann der eines DMD-Mikrospiegels.
Lichtstrahlen, die für eine optische Abbildung der Lage des AMD-Mikrospiegels sorgen,
würden nur einen anderen Lichtweg innerhalb des geometrischen Flusses des Systems
wählen, der Ort und die Lage der Abbildung werden allerdings allein durch das dann gewählte
Auskoppelobjektiv festgelegt. Demgegenüber wird in der AMD-Anordnung, Abbildung 5.18
mittig, nicht nur das AMD-Array als Ganzes unbeleuchtet abgebildet, sondern jedes divergen-
te Lichtbündel, das von jedem einzelnen AMD-Mikrospiegel individuell abgelenkt wird, trifft
auf die Auskoppellinse, deren Linsenkrümmung eine Neuausrichtung des divergenten
Strahlenbündels bewirkt und dieses in ein konvergentes Strahlenbündel (im Falle einer
Konvexlinse) überführt. Je nach Lage des AMD-Mikrospiegels relativ zur Linse und je nach
Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels auf die Linse wird das Lichtbündel nicht nur auf die
Straße abgebildet, sondern kann in diesem Fall auch einen anderen Bildpunkt auf der Straße
erreichen als das die klassische optische Abbildung könnte. Diese Funktionsweise der
mittleren AMD-Anordnung ist nur mit Lichtbündeln einer geringen Divergenz (mit entspre-
chenden lichttechnischen und optischen Einschränkungen: geringer Lichtstrom und reduzier-
ter Lichtstärke) möglich.
Die Leistungsfähigkeit des AMD-Arrays in Bezug auf die Lichtstromlenkung und den
Energietransport wird durch den Flächennutzungsgrad des AMD-Arrays und dessen Reflekti-
vität bestimmt. Wie bei einem Projektionsmodul bildet auch bei einem AMD-Array eine
größere Linse bzw. ein größeres AMD-Array einen höheren Lichtstrom ab und bietet dadurch
die Möglichkeit zu einer höheren Beleuchtungsstärke im Bildraum. Das AMD-Array könnte
dabei als frei adressierbares Mikrospiegelarray die approximierte Form eines Freiform-
Spiegels annehmen, der der Lichtstromlenkung dient, aber auch eine optische Abbildung
erzeugen kann. Der Lichtstrom kann dabei auf einen Punkt konzentriert werden (im Rahmen
der optischen Abbildungsmaßstäbe und der Divergenz des auftreffenden Lichtstrahlenbün-
dels) oder er kann für die gewünschte Lichtverteilung, z.B. Fernlicht mit hohen Lichtstärken
im Zentrum oder Lichtverteilungen mit einer hohen Streubreite verwendet werden. Die Vor-
und Nachteile des AMD-Arrays sind in Tabelle 5.8 zusammengefasst.
S
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133
abelle 5.8: Vor- und Nachteile des AMD-Arrays
Vorteile des AMD-Arrays:
analoges Schwenken in zwei Koordinatenrichtungen
freie Adressierbarkeit der Mikrospiegel
fast jede beliebige Lichtverteilung programmierbar
keine Energieverluste durch den Verzicht auf Blenden im Strahlengang des Systems
konstant hohe Lichtstrombilanz bei allen Lichtverteilungen, optional dennoch Blendenfunktion
möglich.
Nachteile des AMD-Arrays:
Lichtstromverluste durch den begrenzten Flächennutzungsgrad des AMD-Spiegelarrays
hohe Kosten durch Herstellungsprozess, Baugröße und begrenzte Verfügbarkeit
evtl. notwendige Positionserfassung der AMD-Spiegel ist aufwändig / schwierig
Überlagerung der Wendelbilder in unterschiedlicher Größe, Lage und Orientierung erschwert die
Darstellung von kleinen Strukturen und Helligkeitskontrasten innerhalb der Lichtverteilung
aufwändige Ansteuerung und Programmierung der AMD-Mikrospiegelarrays
5.4.3 Dimensionierung
Spiegelmaterialien
Als Spiegelarraymaterialien werden folgende eingesetzt:
1. Silizium
2. Aluminium
3. Nickel oder Titan für den Bi-Materialeffekt
Je nach verwendetem Spiegelmaterial lassen sich unterschiedliche Aufbauprozesse und
Verfahrensschritte zur Mikrospiegelherstellung anwenden.
Prozessschritte zur Herstellung der Mikrospiegelarrays – Flächennutzungsgrad der
AMD-Spiegelarrays und deren Optimierung
Wird Silizium als Spiegelmaterial verwendet, so lassen sich die Mikrospiegel auf einem
Siliziumwafer planar herstellen. Das planare Aufbauprinzip hat allerdings zur Konsequenz,
dass, je nach Antriebsprinzip die Aktoren, als auch die flexiblen Strukturen der Spiegelhalte-
rung sowie die elektrischen Zuleitungen der Spiegelantriebe in der verspiegelten Ebene der
Mikrospiegel geführt werden müssen. Das hat einen deutlich reduzierten Flächennutzungs-
grad (Verhältnis der gesamten Spiegelfläche zur Chip-Gesamtfläche) zur Folge. Abhilfe
S
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134
schaffen folgende Maßnahmen: Gruppierung von Einzelspiegeln, sodass diese Spiegel mit
demselben Auslenkwinkel und nur 5 Zuleitungen (bei elektrothermischer Ansteuerung und
jeweils 4 Schwenkarmen) gemeinsam angesteuert werden können. Oder es muss ein Mehr-
ebenen-Chip-Layout gewählt werden, bei dem die Stromzuführungen auf der Rückseite des
Siliziumwafers verlegt werden bzw. unterhalb der Mikrospiegel-Ebene. Die Verwendung der
CMOS-Technologie und die Adressierung der einzelnen Mikrospiegel mit einer Spalten- und
Zeilen-Adressierung sind je nach Antriebsprinzip und Chip-Layout weitere Möglichkeiten,
den Gesamt-Flächennutzungsgrad des AMD-Mikrospiegelarrays zu steigern und zu optimie-
ren, da die Zahl der elektrischen Zuleitungen auf die Summe der Zeilen- und Spaltenanzahl
und eine gemeinsame Masse beschränkt werden kann.
Prozess-Schritte zur Herstellung der AMD-Mikrospiegelarrays
1. Ätzstop bei Siliziumwafern (einseitige hohe Dotierung der Wafer mit Bor)
2. Maskierung und Belichtung der Siliziumsubstrate
3. Aufsputtern der elektrothermisch ausgedehnten, aktiven Bi-Material-Schicht
4. nasschemisches Weg-Ätzen der Maskierungsschicht
5. Maskierung und Belichtung der Siliziumsubstrate
6. Aufdampfen der Leitbahnen
7. Maskierung und Belichtung der Siliziumsubstrate mit dem Spiegel-Layout
8. zweiseitiges Ätzverfahren: Ätzung der Membrandicke
9. Trockenätzen und damit Freilegen der Mikrospiegel
10. Trennen der Siliziumscheiben (Fixierung der Mikrospiegel vorher mit Photolack)
11. Kleben der AMD-Mikrospiegel in ein Chip-Gehäuse
12. elektrische Kontaktierung durch Bonden zwischen AMD-Chip und Chip-Gehäuse
Die Herstellungs- und Prozessschritte der Mikrosystemtechnik in Silizium werden in [8.2,
HILLERINGMANN, 1995] und in [8.2, WURMUS, 1999] ausführlich dargestellt.
Die Prozessparameter und die Herstellung der AMD-Mikrospiegelarrays, Abbildung 5.19
Seite 136, sind in der Veröffentlichung [8.2, HILLERINGMANN, 2004] zusammengefasst
beschrieben.
AMD-Spiegelaufbau, Spiegelaus- und anlenkung
Bei den zweiachsig analog schwenkbaren Mikrospiegeln werden zwei hauptsächliche
Befestigungsprinzipien unterschieden:
S
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135
1. Torsionsachsen (Abbildung 4.2, S.53, DMD-Array)
2. Biegebalken (Abbildung 5.19)
Zur Erzeugung von zwei Schwenkbewegungen ist bei der Variante mit den Torsionsachsen
ein kardanischer Rahmen erforderlich, der beide Freiheitsgrade ermöglicht. Die Torsionsstei-
figkeit der Torsionsgelenke wird durch die Dicke d, die Breite b und das E-Modul des
verwendeten Materials beeinflusst. Je länger, dünner und schmaler die Torsionsbalken sind,
umso weniger Kraft ist für ein Schwenken der Mikrostrukturen erforderlich. Dabei ist eine
große Länge der Torsionsbalken z.B. in einer diagonalen Anordnung, wie sie von Texas
Instruments bei ihren DMD-Chips verwendet wird, sinnvoll, um die auftretenden Torsions-
spannungen auch bei höheren Betriebstemperaturen des Chips gering zu halten. Der Nachteil
von dünnen Torsionsbalken besteht allerdings auch in ihrer geringeren Haltbarkeit auf Zug-
bzw. Scherbeanspruchung bei Beschleunigungs-Schockbelastungen. [8.2, CHEMNITZ, 2004]
r
xI
xM
rx
P
tx
)(
)(
),( =τ
∫
=dArI
P
2
x = Längsachse des Torsionsbalkens; r = Abstand des Flächenelements zur Torsionsachse; τ =
Torsionsspannung; M
tx
= Torsionsmomentenverlauf entlang der x-Achse; I
P
= polares
Flächenträgheitsmoment [8.1; ZIMMERMANN, 1994].
Bei der Variante mit den Biegebalken kann der mögliche Hub durch längere Hubbalken, die
eine geringere Steifigkeit aufweisen, gesteigert werden. Hierzu müssen diese Hubbalken eine
geringe Dicke und eine geringe Breite aufweisen. Auch hier sind dünne Biegebalken eher
zerstörungsgefährdet. [8.2, HILLERINGMANN, 2004], Abbildung 5.19.
y
xI
xM
yx
Z
bz
)(
)(
),( −=σ
12
3
bh
I
Z
=
x = Längsachse des Balken, y = vertikale Ausdehnung des Balken; z = horizontale Ausdeh-
nung des Balken; σ = Spannungen im Material; M
bz
= Biegemomentverlauf um die z-Achse;
I
Z
= äquatoriales Flächenträgheitsmoment um die z-Achse.; b = Breite des Balkens; h = Höhe
des Balkens [8.1; ZIMMERMANN, 1994].
S
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136
Antriebsprinzipien zur Mikrospiegelauslenkung
Für die Betätigung der Mikrospiegelarrays können unterschiedliche physikalische Effekte
genutzt werden:
1. Bi-Materialeffekt (thermoelektrische Auslenkung)
2. elektrostatische Auslenkung (Plattenkondensatoren)
3. MEMS (Kammstrukturen) (elektrostatisch, elektrodynamisch)
4. piezoelektrisch
5. elektromagnetisch [8.2, BÜTTGENBACH, 2004]
Die Effizienz und Skalierbarkeit der Antriebsprinzipien wird in [8.2, SCHENK, 2000] bzw. in
[8.2, DOLENEC, 2003] zusammenfassend dargestellt.
Abbildung 5.19: AMD-Mikrospiegel-Layout 1 (links), AMD-Mikrospiegel-Layout 2(mittig),
AMD-Mikrospiegel-Array (rechts), Auslenkung mit Bimaterialeffekt (dunkelgraue Streifen),
[8.2, HILLERINGMANN, 2004]
Bi-Materialeffekt (thermoelektrische Auslenkung)
Bei der thermoelektrischen Auslenkung, wie sie bei den oben beschriebenen Mikrospiegeln
von Prof. Hilleringmann, Fachgebiet Sensorik, Universität Paderborn, [8.2, HILLERING-
MANN, 2004], Abbildung 5.19, erläutert wird, erzielt eine Stromsteuerung die Auslenkung
der Mikrospiegel. Je nach Aufheizung der Aktorelemente dehnen sich die Widerstandsschicht
(schwarze, dünne Streifen in Abbildung 5.19) auf dem Siliziumgrundsubstrat-Oberseite
unterschiedlich stark aus, sodass durch die gezielt variierte Wärmeausdehnung der Materia-
lien eine Verformung eines Biegebalkens nach unten hervorgerufen wird. Diese Auslenkung
ist proportional der Aufheizung der Bi-Material-Schichten. Dieser Effekt erlaubt eine
Auslenkung der Mikrospiegelelemente nur in eine Richtung. Die Rückbewegung erfolgt
durch die Abkühlung der Bi-Material-Schichten, die sich in ihre Ausgangsposition zurückbe-
wegen. Über die gute Wärmeleitfähigkeit der Siliziumschicht, die Wärmeabstrahlung ins
Mikrospiegelumfeld und die Wärmekonvektion im Scheinwerfer kann der Abkühlvorgang
S
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137
beschleunigt werden. Die künstliche Kühlung der Mikrostrukturen wäre theoretisch möglich,
ist aber nicht praktikabel.
Elektrostatische Antriebe
Elektrostatische Antriebe sind für die Ansteuerung von Mikrospiegeln ebenfalls gut geeignet,
da sie über eine unter den Mikrospiegeln angeordnete Kapazität mit elektrischer Spannung
beaufschlagt werden können. Dadurch ist es möglich, die Kapazitäten einzeln mit einem
Spannungssignal zu versorgen, wobei eine matrixförmige zeilen- und spaltenweise adressierte
Ansteuerung verwendet wird. Diese ermöglicht durch die Adressierung von Transistoren, die
eine Aufladung einer Kapazität zur Spiegelauslenkung steuern, die pixelweise, individuelle
Ansteuerung der Spiegelpositionen. Die elektrostatische Ansteuerung hat allerdings den
Nachteil, dass relativ hohe Spannungen erforderlich sind. Wird die CMOS-Technologie
verwendet, so lassen sich allerdings nur Spannungen mit einer Höhe von +/- 30V [8.2,
FRAUNHOFER IPMS, 2004] verwenden. In [8.2, HUJA, 2000] wird exemplarisch ein 1D-
Mikrospiegelarray gezeigt, das elektrostatisch ausgelenkt wird. Für adaptive Optiken (ver-
formbare Planarspiegel) werden ebenfalls elektrostatische Antriebe eingesetzt.
Größere Schwenkwinkel können bei elektrostatischem Antrieb durch gestufte Elektroden
erzielt werden [8.2, FRAUNHOFER, ISIT, 2004], [8.2, TU CHEMNITZ, 2004], die den
Abstand der Adresselektroden nahe der Schwenkachse der elektrostatischen Schwenkwinkel
deutlich reduzieren.
Da bei elektrostatischen Auslenkungen in vielen Fällen hohe Spannungen (z.B. 500V oder
1000 V) verwendet werden, sind spezielle Maßnahmen gegen unerwünschte Entladung
vorzusehen. Dabei können elektrisch isolierende, lokal begrenzte Stopstrukturen vorgesehen
werden, die eine zu starke Annäherung der gegenseitigen Elektroden verhindern. Ein Über-
sprechen zwischen verschiedenen Adresselektroden benachbarter Mikrospiegel muss eben-
falls vermieden werden.
Eine Weiterentwicklung der elektrostatischen Antriebe stellen die MEMS (Kammstrukturen)
dar. [8.2, TSAI, 2003] beschreibt eine Mikrospiegelarrayanordnung, bei der die Mikrospiegel
mit Kammstrukturen ausgelenkt werden. Bei Spannungen von nur 7V werden mechanische
Scan-Winkel von +/- 5° erzielt.
Piezoelektrisch
Anstelle der elektrothermischen und elektrostatischen Antriebsprinzipien können auch
Piezoelemente eingesetzt werden, bei denen der inverse piezoelektrische Effekt, d.h. die
Längenausdehnung bei angelegter äußerer elektrischer Spannung genutzt wird. Als Piezoele-
mente werden vor allem Biegebalkenaktoren eingesetzt. Diese haben große Hübe bei
geringeren Kräften. Stapelaktoren habe kleinere Hübe bei hohen Kräften. Weitere Details
können u.a. [8.2, HEMSEL, 2001] entnommen werden.
S
YNTHESE
138
Elektromagnetisch
In [8.2, BÜTTGENBACH, 2004] werden mikrotechnische Spulensysteme und deren Anwen-
dung in der Sensorik und Aktorik vorgestellt. Mikrospulen können planar oder parallel zur
Substratebene helixförmig aufgebaut werden. Die technologischen Herausforderungen
bestehen in der Fertigung tiefenlithographisch in großem Aspektverhältnis hergestellter
Strukturen mit hohen Windungszahlen und dem galvanischen Auftragen von Leitungsbahnen
und weichmagnetischen Kernen. Ein erster horizontaler Linearaktor wird in der Arbeit
vorgestellt. Die bisher geringen Kräfte des lithografisch hergestellten Aktors, die Reibung und
die Komplexität der Herstellprozesse verhindern z.Zt. einen Einsatz des Aktors bei AMD-
Mikrospiegeln.
Aufbau und Design von AMD-Mikrospiegeln mit thermoelektrischem Bimaterial-
Antrieb
Im Falle der Zusammenarbeit des L-LAB mit Herrn Prof. Hilleringmann, Universität
Paderborn, Fachgebiet Sensorik, wurden fünf verschiedene Designs von Mikrospiegeln mit
thermoelektrischer Auslenkung und deren Aufhängungen untersucht. Ziel war es möglichst
große Ablenkwinkel zu erreichen, die quasi-statisch anzusteuern sind. Folgende Designs
wurden umgesetzt [8.2, HILLERINGMANN, 2004], [8.2, DOLENEC, 2003], siehe Abbil-
dung 5.20 (Auszug). Bei der Untersuchung der Mikrostrukturen ergaben sich mit dem
bisherigen Design Auslenkwinkel von bis zu 0,5° bei Strömen von bis zu 100mA [8.2,
DOLENEC, 2003]. Weitere Optimierungen im AMD-Spiegel-Lay-out bei thermoelektrischer
Bi-Material-Auslenkung mit größeren Schwenkwinkeln bei geringeren Strömen sind zukünf-
tig daher vorzunehmen und zu erwarten. Ein Auswahlkriterium für die thermoelektrische
Ansteuerung der AMD-Mikrospiegel war u.a. die erwartete reproduzierbare, quasi-statische
Ansteuerung der AMD-Spiegelstellungen bei einem definierten Temperaturumfeld.
Abbildung 5.20: Drei verschiedene AMD-Spiegeldesigns [8.2, HILLERINGMANN, 2004]
S
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139
Abbildung 5.21: AMD-Spiegeldesigns geätzt [8.2, HILLERINGMANN, 2004]
AMD-Mikrospiegelarrays, deren Bauformen und die Konsequenzen für die Lichttech-
nik
Die Lichtstärke des AMD-Scheinwerfers ist gekennzeichnet durch die Größe des AMD-
Arrays, die Leuchtdichte der Lichtquelle, die Divergenz des eingekoppelten Strahlenbündels,
die Apertur, den Flächennutzungsgrad des AMD-Arrays, dessen Reflektivität und die
Winkelstellung der AMD-Mikrospiegel. Vergleiche hierzu auch die optische Abbildung bei
Linsensystemen (Kapitel 5.5.3 Scanner-Dimensionierung). Das AMD-Mikrospiegelarray
nimmt im ersten Ansatz der Dimensionierung dabei die für eine reflektive, optische Abbil-
dung notwendigen Positionen ein. Es wird ein gestuft „gekrümmter“, aus planen Einzelspie-
geln bestehender Mikrospiegelverbund in einer Annäherung einer Frei-Form-Fläche ange-
strebt.
5.4.4 Konstruktiver Aufbau
Je nach Lage des AMD-Arrays gibt es mehrere sinnvolle Bauformen:
Geometrie
1. ebenes AMD-Array
In einer Projektions-AMD-Scheinwerferanordnung wird mit zweifacher Freiform-Reflexion,
bestehend aus Einkoppelreflektor und ebenem beleuchtetem AMD-Array als zweitem
Reflektor gearbeitet, Abbildung 5.18 rechts. Das AMD-Array übernimmt dabei die variable
Lichtlenkung. Zwischen diesen beiden Reflektoren kann optional eine Feldblende eingesetzt
werden. Diese kann statisch sein oder über z.B. eine Vario-Walzen-Projektionsmodulblende
variabel sein.
2. gekrümmtes oder gewinkeltes AMD-Array
Dieses wird dazu eingesetzt, den Lichtstrom direkt von der Lichtquelle kommend möglichst
vollständig in einer Reflexions-AMD-Scheinwerferanordnung, Abbildung 5.18 links, zu
erfassen. Damit ein großer Raumwinkel des ausgesandten Lichtstroms erfasst wird, ist es
notwendig, statt einer ebenen AMD-Array-Anordnung eine gekrümmte oder gewinkelte
S
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140
AMD-Anordnung aus z.B. mehreren AMD-Arrays aufzubauen. Die vollständige Lichtstrom-
lenkung wird dabei ausschließlich durch diesen ersten und einzigen, frei adressier- und
schwenkbaren Reflektor gesteuert. Alternativ kann zusätzlich ein Flexprisma, ein Kippspiegel
nachgeschaltet sein oder die Gesamtanordnung wird als Ganzes geschwenkt.
Elektrische Ansteuerung der Mikrospiegelarrays
Die Mikrospiegel können von ihrer Ansteuerung her einzeln oder nur in Gruppen beschaltet
werden. Eine Zusammenfassung der Mikrospiegel zu Gruppen erleichtert auf der einen Seite
die Zuführung der elektrischen Leistung, auf der anderen Seite stellt sich das Problem der
reduzierten Auflösung und eingeschränkten Variabilität der Ansteuerbarkeit der Mikrospiegel.
Je nach Abbildungsmaßstab kann das ein Problem darstellen.
Die Vorwärtssteuerung kann für die Mikrospiegel nur eingesetzt werden, wenn diese eine
exakte, reproduzierbare Winkeleinstellung ermöglicht. Zusätzlich ist dabei die Kontrolle des
Spiegelverhaltens unter Vibrationen und der dadurch möglicherweise hervorgerufenen
ungewollten Ablenkung der Mikrospiegel kaum möglich. Alternativ kann eine Regelung für
die Mikrospiegeleinstellung entworfen werden, die allerdings eine Rückmeldung über die
Position der Mikrospiegel im Hauptstrahlengang erfordert. Das könnte über einen zweiten
Strahlengang erfolgen, bei dem z.B. ein schräg einfallendes Lichtbündel die Mikrospiegel
trifft und deren Rückreflexion auf eine CCD-Matrix fällt. Je nach Lage der Rückreflexion auf
der CCD-Matrix kann auf die Spiegelpositionen der Mikrospiegel zurückgeschlossen werden.
Die unterschiedlichen Antriebsprinzipien der Mikrospiegel erfordern unterschiedliche
Konzepte für deren elektrische Energieversorgung. Thermoelektrische Mikrospiegelantriebe
erfordern relativ hohe Ströme für die Auslenkung der Mikrospiegel, wodurch eine zusätzliche
thermische Belastung der Mikrospiegel erzeugt wird. Eine weitere thermische Belastung der
Mikrospiegel wird durch die einfallende optische Strahlung hervorgerufen, die bedingt durch
Reflexions- und Absorptionsverluste ebenfalls zu einer Aufheizung der Mikrospiegel führt.
Durch die geringen Spiegelabmessungen kann von einer gleichmäßigen Erwärmung der
Mikrospiegel bzw. deren Aktoren durch Umgebungstemperatureinflüsse ausgegangen
werden, wodurch die daraus resultierende Auslenkung der Mikrospiegel als konstant angese-
hen werden kann. D.h. die allgemeine thermische Belastung durch die Bestrahlung und der
Umgebungstemperatureinfluss überlagert sich mit den gezielt eingebrachten thermischen
Signalen für die Spiegelauslenkung an den Spiegelaktoren. Thermoelektrische Antriebe haben
die Anforderung, dass sie für eine konstante Auslenkung permanent mit Strom versorgt
werden müssen. Das hat zur Folge, dass für jeden Aktor pro Einzelspiegel (4 Aktoren mit 4
Zuleitungen) und ein Masseanschluss notwendig sind. Die Herausforderung stellt dabei die
Zahl der Zuleitungen von jedem Mikrospiegel dar, da diese bei einem Uni-Layer-Layout den
Flächennutzungsgrad der Einzelspiegelflächen an der Gesamtspiegelfläche mit zunehmender
AMD-Chip-Größe deutlich reduzieren.
S
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141
Bei der Verwendung von Multi-Layer-Aufbautechnologien oder bei der CMOS-Technologie
lässt sich der Flächennutzungsgrad steigern, da die elektrischen Zuleitungen der Einzelspiegel
unterhalb der jeweils einzeln schwenkbaren Spiegelebene angeordnet werden können.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass zwischen den mikrolithografischen Mikro-
spiegelelementen und den makroskopischen Zuleitungen der Ansteuerungsschaltung die
elektrische Verbindung mittels Bondverbindungen hergestellt werden muss. Diese erfordern
sowohl auf der mikrolithografischen, als auch auf der makroskopischen Chip-Gehäuse-Seite
Bond-Pads mit einer gewissen Mindestgröße. Das hat zur Folge, dass nur eine begrenzte
maximale Anzahl an Bondpads in einer Reihe um den AMD-Chip gelegt werden können.
Auch bei z.B. jeweils zwei parallelen Bond-Pad-Reihen ist die Zahl der herausführbaren
Leitungen begrenzt, da auch Computer-Mikroprozessor-Chip-Gehäuse, die für die AMD-
Prototypen angewendet wurden, nur eine begrenzte Zahl an Kontaktstiften und internen
Bond-Pads aufweisen.
Alternativ könnten zwei Transistoren unter jedem Mikrospiegel angeordnet werden, wobei
der erste die Leistungssteuerung über eine permanente Spannungsversorgung regelt, und der
zweite die Adressierung über eine zeilen- und spaltenweise Adressierung regelt. Die Höhe der
zugeführten Ströme bzw. der angelegten Spannung am Transistor wird über eine Kapazität
geregelt, die auf die Gate-Spannung wirkt. Dadurch würde die Zahl der Zuleitungen von 5 pro
Mikrospiegel auf jeweils eine gemeinsame Spannungsversorgung und Masse und die
matrixförmig angeordneten Zeilen- und Spaltenadressleitungen reduziert werden. Insgesamt
ergibt sich folgende Leitungsanzahl, Tabelle 5.9:
Tabelle 5.9: Zahl der Ansteuerungsleitungen für ein AMD-Array
Zahl der Zuleitungen bei einem Array von 200 x 240 Spiegeln
bisheriges Design: Zeilenanzahl x Spaltenanzahl + Masse 48001
neues Design mit 2
Transistoren und
einer Kapazität pro
Spiegel
Zeilenanzahl + Spaltenanzahl + Spannungsversorgung + Masse 442
Testaufbau für AMD-Mikrospiegelarrays
Im Rahmen einer Studienarbeit [8.7, THIES, 2002] ist ein Testaufbau entstanden, mit dem
AMD-Spiegelarrays validiert werden können. Grundsätzliche Fragen der Ansteuerung, der
Toleranzen und der Funktionsstruktur der AMD-Testplattform werden dort behandelt.
Bisherige Probleme der Mikrospiegel (Fremdmuster und eigene AMD-Spiegelarrays)
Die Auflösung der Chips ist begrenzt auf bisher 200 x 240 Spiegel beim IPMS [8.2,
FRAUNHOFER IPMS, 2004]. Die zeilen- und spaltenweise Adressierung der aktiven Matrix
S
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142
fördert einen hohen Flächennutzungsgrad des Spiegelarrays. Jede Pixelzelle ist aus zwei
Schalttransistoren und einer Speicherkapazität aufgebaut. Die Auslenkung der jeweiligen
Einzelzellen erfolgt durch Anlegen einer analogen Spannung von max. 30 V an den adressier-
ten Dateneingängen und dem Durchschalten der Spannung zu den Pixelzellen mit jedem
CLK-Takt. (clock). Bei den IPMS-Flächenlichtmodulatoren (Mikromechanische Spiegelar-
rays (Mikro mechanical devices MMD)) gibt es Arrays mit bis zu 1024 x 2048 Aluminium-
spiegeln, die auf einer aktiven CMOS-Ansteuerung aufgebracht sind. Jeder 16 x 16µm² große
Spiegel kann individuell mit bis zu 2 kHz ausgelenkt werden. Die Spiegelarrays werden in der
optischen Mikrolithografie als Phasen-shift-Arrays eingesetzt.
Thermik
Eine thermische Belastung erfolgt durch die Bestrahlung der AMD-Spiegelfläche, durch
Reflexionsverluste an der Spiegelfläche, durch Transmissionsverluste an der AMD-
Spiegelabdeckung und durch die thermoelektrische Ansteuerung der Einzelspiegel.
Beim verwendeten thermoelektrischen Auslenkungsprinzip wird dabei auch bei einer statisch
konstanten Auslenkung der Einzelspiegel elektrische Leistung für deren Auslenkung einge-
setzt. Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei durch die Haltestrukturen der AMD-Einzelspiegel.
Kosten
Kostentreiber für den AMD-Chip sind die Silizium-Wafer-Fläche, die Anzahl der Prozess-
schritte und deren Dauer, die Chip-Vereinzelung und die Chip-Montage innerhalb des
elektrischen Chip-Gehäuses sowie die elektrische Kontaktierung der Einzelspiegel. Die
reproduzierbare Beherrschung der Prozessschritte und das Entwerfen sowie Anfertigen der
Wafer-Masken sind weitere Kostentreiber der Entwicklung von AMD-Chipdesigns.
Mikrospiegelarrayaufbau
Die Spiegel haben nur eine kleine Masse; es wird daher vom IPMS eine Resonanzfrequenz
von 1 MHz angegeben. Schockbelastungen durch hohe Beschleunigungen stellen durch die
geringe Massen kein Problem dar. Die Aluminiumstrukturen sind relativ hoch temperatur-
stabil bis ca. 200°C, bevor es zu Auswölbungen auf den Aluminiumspiegeloberflächen
kommt [8.2, SCHENK, 2004]. Die Ansteuerung des Mikrospiegelarrays ist noch auf einer
relativ großen Platine untergebracht, die ca. 300 x 400 mm² groß ist. Die Ansteuerung erfolgt
über eine Fire-Wire-Schnittstelle.
Beim Fraunhofer ISIT werden die Adresselektroden galvanisch abgeformt. Damit lassen sich
größere Felder und eine stärkere Auslenkung der Spiegelstrukturen erzielen. Die Adresselekt-
roden sind gestuft angeordnet. Zusätzlich wird von einem Projektor in Form eines ersten
Laborprototypen berichtet, der mit einem beweglichen Spiegel von 1,5mm Durchmesser und
einem Laserstrahl ein Bild mit einer Auflösung von 320 x 240 Bildpunkten projizieren kann.
Durch schnelles Ändern des Kippwinkels wird das Bild pixelweise aufgebaut [8.2, FRAUN-
HOFER, ISIT, 2004].
S
YNTHESE
143
Untersuchung der Mikrospiegelintegrationsstufen beim Fraunhofer IPMS
Abbildung 5.22: Technologie-Eigenschaftsdiagramm von Mikrospiegel-Arrays
[8.2, SCHENK, 2004]
In Abbildung 5.22 werden die festverdrahteten Bond-Verbindungen als „fixed wired“
bezeichnet. Der Übergang von den festverdrahteten Chips zu den passiv adressierten Matrizen
wird mit 16 x 16 angegeben. Mit „Stroke“ wird der maximale Hub in Nanometer angegeben.
Die Pixelgröße sinkt mit steigender Spiegelanzahl. Mit der „Frame Rate“ wird die Wiederhol-
rate des Bildaufbaus beschrieben. Die vertikal gestrichelten Linien geben mögliche Chip-
Designs an. Die („diagonalen“) Kurven stellen bei einer gegebenen elektrostatisch angelegten
Spannung und bei einem Aluminium-Hebelarm von der Dicke δ und der Breite w die
Auslenkung in Abhängigkeit von der Einzelspiegelgröße dar. Die Spannungsobergrenze von
30V wird bedingt durch die in CMOS-Technologie hergestellte Adressierung der Einzelspie-
gel vorgegeben. Demgegenüber werden Einzelspiegel mit bis zu 1000V [8.2, DOLENEC,
2003; 8.2, CHEMNITZ, 2004] elektrostatisch ausgelenkt, da sich bei diesen nicht oder
weniger das Problem der jeweiligen Einzelspiegel-Adressierung stellt. Dennoch sind auch
hier besondere Vorkehrungen gegenüber Kurzschlüssen durch direkten „Kondensatorplatten-
kontakt“ zu treffen. Der grau unterlegte Bereich ist der Bereich, in dem mit praktikablem
Aufwand elektrostatische Mikrospiegelarrays sich herstellen lassen, die mit einer CMOS-
Adressierung ausgestattet sind. Der schraffierte Bereich zeigt den Bereich der Mikrospiegel
an, der nicht mehr mit mikrolithografischen Prozessen, sondern nur noch mit „Surface-
Mikromachining“ hergestellt werden kann.
Zusammengefasst lassen sich bei der Anwendung der AMD-Mikrospiegel-Arrays 3 Haupt-
anwendungen unterscheiden, Tabelle 5.10: Der Einsatz des AMD-Arrays als variabler
Reflektor zur Lichtlenkung (Konzept 1) oder der Einsatz des AMD-Arrays als Ersatz für eine
S
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144
„variable Reflexions-Linse“ (Konzept 3), bei dem als variablem Freiform-Reflektor die mehr
oder weniger optisch ähnliche „Abbildung“ eines Objektes, d.h. der Blendenebene im
Vordergrund steht. In der dritten Anordnung kann der AMD-Chip anstelle der Blende
eingesetzt werden (Konzept 2). Dessen Lichtlenkung erfolgt durch eine Frei-Form-Linse.
Tabelle 5.10: Konstruktive Varianten des AMD-Scheinwerfers
Konzept 1 Konzept 2 Konzept 3
Bauart Reflexions-AMD-
Scheinwerfer Projektions-AMD-Scheinwerfer
Auskoppel-
optik keine mit FF-Linse zur
„Abbildung“ mit AMD-FF-Reflektor-„Linse“
Lichtstrom
erzeugen Lampe z.B. D2S kurz Lampe z.B. D2S
kurz Lampe z.B. D2S kurz
Lichtstrom
sammeln
Konv. FF-Reflektor und
AMD-Chip
Konv. FF-Ellipsoid-
Reflektor Konv. FF-Ellipsoid-Reflektor
HDG
formen
Nur über Reflektor (s.o.)
und eine Strahlblende
der Lampe
AMD-Chip und
Umfeldverspiegelung
Vario-Xenon-FF-Konturwalze, Feld-
blende (rechteckig) oder keine Blende
Lichtstrom
bündeln /
LSV
formen
Über FF-Reflektor und
AMD-Chip (s.o.)
FF-Linse zur
Lichtlenkung
(„Abbildung“)
AMD-FF-Reflektor-„Linse“ zur
Abbildung der Blendenebene (wenn
eine Blende vorhanden ist, sonst nur
Lichtstromlenkung)
5.4.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit AMD
Optische Leistungsfähigkeit der Mikrospiegelarrays
Kennzeichen der Mikrospiegelarrays ist neben dem Flächennutzungsgrad α auch die Reflek-
tivität ρ der Mikrospiegel, die in ihrem Produkt die optische Effizienz der Mikrospiegel
beschreiben.
ραη ⋅=
Ges
Geometrisch-optische Einbindung der AMD-Mikrospiegel in das Scheinwerfergehäuse
– Lichttechnisch-optische Grundlagen der AMD-Mikrospiegel
Die analog ansteuerbaren optischen Mikrospiegel legen zusammen mit der Einkoppeloptik die
Möglichkeiten der Lichtverteilungs-Intensitätssteuerung fest. Die Lichtintensität, die über das
AMD-Spiegelarray gelenkt werden soll, wird auf dem Chip konzentriert, wobei die Divergenz
des Einkoppelstrahlenbündels, bedingt durch das Reflexionsgesetz, erhalten bleibt. Eine
Divergenz des Strahlenbündels ist erforderlich, da sonst die Chip-Abmessungen bei einem
S
YNTHESE
145
parallelen Strahlenbündel erhalten blieben. Die Lücken zwischen den Mikrospiegeln würden
bei einem parallelen Strahlenbündel und der Nichtauslenkung der Mikrospiegel beibehalten
werden. Treffen divergente Teillichtbündel auf die Mikrospiegel, so werden diese, je nach
Schwenkstellung der Mikrospiegel, auf der Straße miteinander überlagert.
Als Spiegelauslenkpositionen sind folgende denkbar: Die Teillichtbündel werden lückenlos
aneinander gereiht, wodurch eine maximale Streubreite der Ausleuchtung bei relativ geringen
Lichtstärkewerten erzielt wird. Die Leuchtdichte der Lichtabstrahlung der AMD-Spiegel
bestimmt dabei die Lichtstärke der Lichtstärkeverteilung und die resultierende Beleuchtungs-
stärke auf der Straße. Da die Blendung für den entgegenkommenden Verkehr nicht höher sein
soll als bei heutigen Projektionssystemen, sollte die Lichtaustrittsöffnung und damit die
Größe des AMD-Spiegelarrays mindestens der von heutigen Projektionslinsen entsprechen.
Die Leuchtdichtegradienten auf den AMD-Mikrospiegeln und deren Lichtlenkung bestimmt
die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze. Die Divergenz der Strahlenbündel sollte daher in
vertikaler Orientierung minimal sein. Für die Erzeugung einer Hell-Dunkel-Grenze werden
diejenigen Spiegel, deren Lichtbündel oberhalb der HDG liegen würden, in den Bereich
unterhalb der HDG gelenkt und z.B. für eine größere Streubreite der Scheinwerfer verwendet.
Durch die Überlagerung der Wendelbilder bzw. der AMD-Teillichtbündel können höhere
Lichtstärken und schmälere Lichtstärkeverteilungskurven erzielt werden. Die Breite des
Intensitätsgradienten eines Spiegels kann dabei nicht unterschritten werden. Dabei wird die
gewünschte Lichtverteilung auf einer virtuellen 10m bzw. 25m Wand durch die Überlagerung
der Teillichtbündel eingestellt. Vor und nach dieser Wand bleibt die Divergenz der Teilstrahl-
bündel erhalten.
Dennoch sind der AMD-Lichtverteilungsauslegung Grenzen gesetzt: Die Leuchtdichte der
Lichtquelle kann nicht auf dem AMD-Chip gesteigert werden. Die Leuchtdichte der Licht-
quelle reduziert sich, da das Licht in den zweiten Brennpunkt eines Ellipsoidreflektors gelenkt
wird, in dem sich der AMD-Chip befindet. Durch die Abbildung im Ellipsoidreflektor hat
sich wegen der Abbildungsgesetze das Abbild der Lichtquelle bereits geweitet. Ursache dafür
ist das Etendué, das nur bei einer erhöhten Strahlquerschnittsfläche eine reduzierte Divergenz
des Lichtbündels ermöglicht. Werden die Teillichtbündel der Mikrospiegel so gelenkt, dass
alle sich überlagern, so wird die maximale Intensität als die Summe aller Teillichtbündel,
abgeschwächt durch die mit den optischen Abbildungsmaßstäben aufgeweiteten Lichtquellen-
abbildungen.
Das AMD-Mikrospiegel-Array kann im Strahlengang als flexible, reflektive „Linse“ bzw.
variabler Reflektor bzw. als segmentierter „Membran-Spiegel“ eingesetzt werden. Durch die
Überlagerung der unterschiedlich großen Wendelbilder kann die gewünschte Lichtverteilung
wie bei einem konventionellen Reflektor erzeugt werden. Folgende Voraussetzungen sind
dabei einzuhalten:
S
YNTHESE
146
1. Bedingt durch die Spalte zwischen den AMD-Spiegeln muss die Reflektorfläche der
AMD-Chip-Fläche größer sein als bei stetigen Reflektorsegmenten ohne Spalte.
2. Die seitlichen Kanten der AMD-Chip-Flächen müssen nach Möglichkeit durch be-
nachbarte gekippte AMD-Spiegelflächen verdeckt werden, damit keine unnötiges
Streulicht entsteht, das zur Eigen- oder Fremdblendung führen könnte (vgl. strö-
mungsgünstiges „Fischschuppen-Prinzip“).
3. Der Raumwinkel der von der Lichtquelle erfassten Lichtstärkeverteilung muss sogar
etwas größer sein, da sich Spalte zwischen den AMD-Einzelspiegeln befinden. Je nach
Lage und räumlicher Ausrichtung der AMD-Einzelspiegel werden von diesen unter-
schiedlich große Teillichtbündel mit unterschiedlicher Divergenz und unterschiedli-
cher Wendelbildlage und Wendelbildgröße abgelenkt. Die Auflösung der AMD-Chip-
Fläche ist bei einer AMD-Reflektorlösung eher von untergeordneter Bedeutung.
Gesamtsystem
Beim Aufbau eines AMD-Scheinwerfers lassen sich – wie beschrieben – drei prinzipiell
unterschiedliche Aufbaukonfigurationen unterscheiden. Diese stellen jeweils unterschiedliche
Anforderungen an den AMD-Chip. Nur in einer Konfiguration, die mit einer „Feldlinse“ bzw.
einer Freiform-Linse arbeitet (Konzept 2), wird der AMD-Chip als solches abgebildet. Bei der
Verwendung einer konventionellen Sammellinse nach dem AMD-Chip für dessen Abbildung
auf die Straße wird das Potenzial der Lichtlenkung des AMD-Chips nicht ausgenutzt. Der
AMD-Chip wird dabei auf die Funktion des DMD-Chips reduziert. Insbesondere an den
Flächennutzungsgrad werden bei dieser „vierten“ Konfiguration hohe Anforderungen gestellt,
da hierbei der AMD-Chip mit dem Abbildungsmaßstab der Linse auf die Straße abgebildet
wird, vgl. Abbildung 5.18.
1. Reflexionsanordnung: AMD-Chip ist Teil des Reflektors und lenkt die Wendelbilder
der Lampe frei innerhalb der Lichtverteilung mit der vorhandenen Wendelbildgröße
und Wendelbildorientierung innerhalb der Lichtverteilung um; Abbildung 5.18 links.
2. Projektionsanordnung: AMD-Chip als Ersatz für die Projektionslinse in einem Projek-
tionsmodul; freie Lichtstromumverteilung möglich; Abbildung 5.18 rechts.
3. Projektionsanordnung: AMD-Chip mit FF-Linse auf die Straße „abgebildet“; in ge-
wissen Grenzen freie Lichtstromumverteilung möglich; Abbildung 5.18 mittig.
4. Projektionsanordnung: DMD-Funktion mit AMD-Chip und Konvexlinse nachgebildet,
wobei diese das AMD-Array abbildet (vgl. Abbildung 5.18 mittig)
S
YNTHESE
147
Vergleich des DMD mit einem AMD-Aufbau
Tabelle 5.11: Vergleich der DMD- und AMD-Arrays
Vergleich der Systeme DMD AMD
Kategorie digitale Spiegelschwenkstellungen
um eine diagonale Schwenkachse,
+/-10° bzw. +/-12°
analoge Spiegelschwenkstellungen mit
zwei orthogonalen Schwenkachsen,
>= +/-12°
konventionelles
Vergleichskonzept
Totalreflexionsprisma mit lokaler
Aufhebung der Totalreflexion
durch Kontakt
Membranspiegel
Auskoppellinse ja nein, nur FF-Linse; meist nicht
Abbildung notwendig, da Abbildung einer
schaltbaren „Spiegel“-Blende auf
die Straße
nicht sinnvoll, Energie- / Lichtstromlen-
kung statt Abbildung
Systemanordnung nur Projektionslösung sinnvoll Projektions- und Reflexions-Lösungen
möglich mit jeweils anderen Anforde-
rungen
Ausleuchtung des
DMD / AMD-Chips
Jeweils inhomogen, um die Kfz-Anforderungen nach großer Reichweite zu
erzielen
Dynamisches
Kurvenlicht
Jeweils Komplettsystem gedreht oder Flexprisma oder Schwenkspiegel
nachgelagert
Wie in Tabelle 5.11 gezeigt wird, besteht der Hauptunterschied zwischen einem DMD- und
einem AMD-Scheinwerfer und ihren DMD- bzw. AMD-Arrays in der Lage und Zahl der
Schwenkachse(n), den möglichen Winkelstellungen und –positionen und dem bzw. den
maximalen Schwenkwinkeln. Beim DMD-Array wird diagonal um bis zu +/-12° geschwenkt.
Das AMD-Array hat zwei, senkrecht zu einander stehende Schwenkachsen, die horizontal und
vertikal orientiert sind und deren Schwenkwinkel können größer als +/-12° sein. Ein weiterer
Hauptunterschied besteht in der Auskoppeloptik der beiden Mikrospiegel-Konzepte. Das
DMD-Array muss durch eine Abbildungsoptik auf die Straße projiziert werden. Beim AMD-
Array sollte und kann auf die Auskoppeloptik verzichtet werden. Im Gegenteil, eine Auskop-
peloptik schränkt die Funktionalität des AMD-Scheinwerfers nur auf ein Minimum ein. Diese
Tatsache wird in den Zeilen Auskoppellinse, Abbildung und Systemanordnung dargestellt.
Eine Gemeinsamkeit beider Systeme besteht darin, dass die Mikrospiegelarrays gezielt
inhomogen ausgeleuchtet werden, wodurch die zentralen Mikrospiegel, die eine höhere
Lichtstärke umlenken, einen höheren Einfluss auf die aktive Scheinwerferlichtverteilung
haben. Die Art der Formung des dynamischen Kurvenlichts ist ebenfalls identisch.
S
YNTHESE
148
5.5 Scannender Scheinwerfer
5.5.1 Funktionssynthese
Nachdem in Kapitel 3.8 die Funktionsstruktur zukünftiger aktiver Scheinwerfersysteme
beschrieben wurde, ist in Abbildung 5.23 die Funktionsstruktur eines scannenden Scheinwer-
fers wiedergegeben.
Abbildung 5.23: Funktionsstruktur eines scannenden Scheinwerfers
S
YNTHESE
149
Der scannende Scheinwerfer weist eine lichtstromerzeugende Lampe und eine Einkoppelein-
heit, die ein über zwei Scannerspiegel einer Scan-Spiegel-Einheit, Abbildung 4.19 S.79,
abgelenktes Lichtstrahlenbündel formt, auf. Zusätzlich wird eine statische Grundlichtvertei-
lung geformt. Diese wird mit dem scannend abgelenkten Lichtstrahlenbündel zu einer
flexiblen, aktiven Lichtverteilung überlagert. Da die Dynamik der Scannerspiegel physika-
lisch limitiert ist und da das scannende Lichtstrahlenbündel eine begrenzte Lichtstärke hat,
kann bei einem homogenen Lichteindruck nicht jede beliebige aktive Lichtverteilung erzeugt
werden. Die Dimensionierung des scannenden Scheinwerfers und dessen gegenseitige
Abhängigkeiten werden in Kapitel 5.5.3 beschrieben werden.
Allgemein wird in der Literatur [8.6, BASS, 1995] bei Scannern zwischen zwei Funktionen
unterschieden:
1. Die Translation der Apertur relativ zum Informationsmedium. Das kann die Translation
von Linsen oder Objekten oder beidem beinhalten. Sie werden in der Objekt-Scan-Region
eingesetzt.
2. Die Winkeländerungen relativ zum Informationsmedium. Das kann entweder vor oder nach
dem Objektivraum erfolgen.
5.5.2 Modularisierung
Bei der Modularisierung der Scanner soll zunächst eine Unterscheidung zwischen den
verschiedenen Scannerarten vorgenommen werden, bevor deren Spiegelachsenanordnung,
Dynamik und allgemeiner Optikaufbau aufgegliedert werden.
1. Galvanometerscanner:
Der Galvanometerscanner erfordert Anstrengungen in Systemge-
schwindigkeit, Auflösung und Linearität. Er kann beliebige Scanbewegungen innerhalb ihrer
Reaktionszeiten durchführen. Der Galvanometerscanner ist ein Breitband-Scanner, der bis
knapp unter seiner mechanischen Resonanzfrequenz betrieben werden kann. Seine Winkel-
auslenkung wird elektromagnetisch erzeugt. Der Galvanometerscanner wird als Scanner mit
geringem Trägheitsmoment bezeichnet. [8.6, BASS, 1995]
2. Resonanzscanner:
Diese haben durch ihre Wirkungsweise nur sehr große Auslegungen
nahe der eigenen Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems. Die Resonanzscanner
haben definierte größere Winkelablenkungen bei höheren Frequenzen mit einer sinusförmigen
Anregung. Sie erlauben keine beliebigen Stellbewegungen und die Scanbewegung lässt sich
nicht beliebig formen.
Bei der Gestaltung der Lager ist bei beiden Scannern besondere Aufmerksamkeit auf die
Dauerfestigkeit und die Lebensdauer zu legen, da jeweils nur geringe Drehintervalle durchge-
führt werden, die der Lagerlebensdauer abträglich sind.
3. Polygonscanner mit Pyramidalprismen oder prismatischen Polygonscannern:
Die
Pyramidalprismen erlauben engere Bauformen, da der einfallende und der abgelenkte Strahl
S
YNTHESE
150
räumlich getrennt, d.h. z.B. zueinander senkrecht stehen. Diese Prismenform weist allerdings
keine Winkelverstärkung auf, da die Spiegelnormale trotz Rotation stets im gleichen Winkel
zum einfallenden Lichtbündel orientiert ist. Auf das Rotieren des Strahlenbündels ist bei
diesem axialen Lichteinfall zu achten.
Reduziert sich die Anzahl der Facetten zu der Anzahl eins, so spricht man von Monogon-
Scanner.
4. Holografische Scanner
sind in den meisten Fällen Polygonscanner, die an Stelle von
Spiegeln Hologramme einsetzen, um das Licht abzulenken.
5. Akusto-optische Ablenkung
erfordert einen engen Strahl mit einer definierten Wellen-
länge und ein durchstimmbares dickes optisches Gitter, das dafür sorgt, dass alle höheren
Ablenkordnungen der ersten Ordnung effizient zugeordnet werden. Das Gitter wird in einem
elastischen Medium durch Schall- bzw. Druckwellen erzeugt, welches seinen Brechungsindex
periodisch verändert.
6. Elektro-optische Gradientenscanner
arbeiten mit einer Änderung des Brechungsindex
in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes. Da die elektrooptischen Koeffizienten
sehr gering sind, werden hohe elektrische Felder benötigt. Sie sind sehr schnell im Vergleich
zu akusto-optischen Zellen, haben aber ebenfalls eine geringe Auflösung.
7.
Des weiteren gibt es noch
Karussell-Prismenscanner
(Polygonscanner), optisch bre-
chende Prismenscanner und axial rotierende Prismenscanner.
In Tabelle 5.12 wird eine Systematik zu den scannenden Scheinwerfern vorgestellt. Angefan-
gen von den Grundtypen der Scanner, der Zahl der Scannerachsen, deren Orientierung werden
mehrere Spiegelorientierungen aufgezeigt. Beim optischen Multiplikator ist es erforderlich,
dass das Lichtbündel vom flexiblen (winkelvariablen) Spiegel (1. Winkelverdopplung) auf
einen räumlich starr angeordneten Spiegel (Winkelkonstanz) fällt, bevor das Lichtbündel
erneut auf den flexiblen Spiegel (2. Winkelverdopplung) trifft und dann ein zweites Mal
abgelenkt wird. In diesem Beispiel wird das Lichtbündel mit der vierfachen Winkelgeschwin-
digkeit des flexiblen Spiegels (bzw. dessen Spiegelnormale) abgelenkt. Dann werden die
Dynamikanforderungen und deren Randbedingungen aufgezeigt. Die Orientierung und
Anordnung der Spiegel, des eingekoppelten Scanlichtbündels mit dessen Einkoppeloptik, der
Zwischen- und Endoptik bestimmen das optische System scannender Scheinwerfer. Die
Lampe, deren Orientierung, die Wendellage der Lampe und die Divergenz des Strahlenbün-
dels runden die Systematik ab.
S
YNTHESE
151
Tabelle 5.12: Systematik zu scannenden Scheinwerfern – Teil 1
1. Grundtypen an Scanner
1.1
Galvanometerscanner 1.4 holografische Scanner
1.2
Polygonscanner 1.5 akustooptische Scanner
1.3
prismatische Scanner 1.6 elektrooptische Scanner
2. Scannerachsen
2.1
einachsig 2.2 zweiachsig
3 Spiegelachsenstellung
3.1
senkrecht zur Lichteinfallsrichtung:
Winkelverstärkung ( zweifach)
3.2 parallel zur Lichteinfallsrichtung
keine Winkelverstärkung
4. Spiegelorientierung: 1. Spiegel
4.1
Ablenkung horizontal vertikal
4.2
Spiegelform plan konvex konkav Freiform FF
4.3
relative Orientierung parallel spitzer Winkel rechter Winkel stumpfer Winkel
Spiegelorientierung: 2. Spiegel
4.4
Ablenkung horizontal vertikal
4.5
Spiegelform plan konvex konkav FF
4.6
Höhenversatz ohne mit
4.7
relative Orientierung parallel spitzer Winkel rechter Winkel stumpfer Winkel
4.8
Gesamtanordnung „L“ Dreieck „4“ „Z“
S
YNTHESE
152
Tabelle 5.12: Systematik zu scannenden Scheinwerfern – Teil 2
5. Optischer Multiplikator
5.1
2x über flex. Spiegel
- sehr große Spiegel
+ Winkelverdopplung
in flex out
↑ ↓
starr
5.2 - keine zusätzliche
Winkelverstärkung
in flex out in flex starr out in starr flex out
6. Dynamikanforderungen
6.1 Winkel optisch: horiz. +/-10°, besser +/-25° 1.Spiegel (horiz.): klein-
mittlere Größe
große Ablenkungen großer 2.
Spiegel
2.Spiegel gering geschwenkt (vert.)
insgesamt höhere Dynamik
6.2 Winkel optisch: vert. +/- 5° 1.Spiegel (vert.): kleine
Größe
geringe Ablenkungen
mittelgroßer 2. Spiegel
2.Spiegel, groß geschwenkt (horiz.)
insgesamt etwas geringere Dynamik
6.3 Bedingungen: Anordnung Abstände Geometrie
Material Trägheit Verwindungssteife Resonanzfrequenz
7. Lichttechnische Dimensionierung, siehe Kapitel 5.5.3
8. Allgemeine Orientierung
8.1 Einkopplung des Scanlichtbündels 8.2 Auskopplung
relativ zur
Auskopplung
seitlich (+/- x) / schräg
hinten (-z) oben / unten (+/- y) vorn (+z) vorn (+z) in +z-Richtung
S
YNTHESE
153
Tabelle 5.12: Systematik zu scannenden Scheinwerfern – Teil 3
9. Einkopplungs-Lichtbündel-Erzeugung
9.1 „Reflektor“form Paraboloid Ellipsoid Linsen-Abbildung
9.2 Abbildungsart einstufig Konvexe Linse konkave Linse
zweistufig Kepler-Anordnung (astronomi-
sches Fernrohr)
Galilei-Anordnung (terrestrisches
Fernrohr)
Spiegelteleskop-Anordnung
9.3 Abbildungsmethode Linsenoptik Spiegeloptik
10. Zwischen- oder Endoptik (starre Optikelemente)
10.1
Lage Vor-Spiegel Mittel-Spiegel Nach-Spiegel
10.2
Spiegelform plan optisch (konvex, konkav, FF) Brennpunkt verschiebt sich
10.3
Funktion Feldlinse Zylinderlinse kein optisches Element
11. Lampe
11.1
Lichtquelle D2S (4,2mm) Kurzbogenlampe (2,1mm) UHP (1,3mm) H7 / H1 (4,2mm) Keramikbrenner
11.2
Kenngrößen Leuchtdichte Lichtstrom Lebensdauer elektr. Leistung
12. Lampenorientierung
12.1
Orientierung in z-Achse in x-Achse (in y-Achse)
13. Wendelbildlage
13.1
Wendelorientierung horizontal vertikal
14. Divergenz
14.1
Divergenzeinflüsse Lampengeometrie Reflektorabstände / Abb.-
Maßstäbe
Linsenabstände / Abb.-
Maßstäbe
[8.8, KAUSCHKE, 2004-4; 8.8, KAUSCHKE, 2004-5]
S
YNTHESE
154
5.5.3 Dimensionierung
Bei der Scannerdimensionierung kann nach folgendem Schema vorgegangen werden:
Lichttechnische Berechnung:
1. Belichtung:
Tabelle 5.13: Berechnung der Belichtung und der Beleuchtungsstärke, Index s = scannend
Lichttechnische Auslegung: konventionell scannend
Visualisierung A
2ges
= gesamte Lichtvertei-
lung auf der Zielprojektions-
fläche A
2
(z.B. A
2ges
= 80m²)
A
2
= beleuchtete Teilfläche
A
S2
= scannend beleuchtete Zielprojek-
tionsfläche A
2
im Zeitintervall T
S2
Belichtung H
∫
=dtEH
;
∫
Φ
=dt
dA
d
H
2
Lichtstrom φ 1000 lm auf Gesamtfläche A
2
1000 lm auf Teilfläche A
S2
Belichtungsdauer dt dauernd, keine Unterbrechun-
gen
125,0
2
2
2
2
=
Φ
Φ
=
ges
ges
A
A
unabhängig (!) von der Scanwie-
derholfrequenz f; abhängig (!) von
dem Flächenanteil A
S2
an A
2
ges
SA
ges
S
T
T
A
A
2
2
2
2
== 0,125
Bildwiederholrate f entfällt (f = 0 Hz) f = 50 – 100 Hz
Beleuchtungsstärke E
2
2
2
AA
E
ges
ges
Φ
=
Φ
== 12,5 lx
2S
ges
S
A
E
Φ
== 100 lx
Belichtung H
A2
der Teil-
fläche A2
∫
Φ=
2
2
2
1
SA
T
ges
S
SA
dtd
A
H=12,5 lxs
Belichtung H der Gesamt-
fläche
TEH
⋅
=
= 12,5 lxs
∫
==
A
SAS
dAHHH
2
2
2
SA
S
ges
S
T
A
H⋅
Φ
= = 12,5 lxs
10
0 1/8
s
1
80
H in lxs
t in s
E
A
1
A
2
A
1
= A
2
S
YNTHESE
155
Lichttechnische Größen einer Linsenoptik / Scanneroptik:
A
1
ist eine kleine leuchtende Fläche mit konstanter Leuchtdichte in alle Richtungen.
A
2
ist ein Flächenelement einer Empfängerfläche. Von A
1
aus gesehen erscheint dA
2
in der
Größe
22
cos ε=dA
und damit unter dem Raumwinkel. [8.6, BASS, 1995; 8.6, SCHRÖDER,
1998][DIN 4522, Bl.1; DIN 4521], Index 1: leuchtende Fläche; Index 2: beleuchtete Fläche
0
2
22
cos Ω
⋅
=Ω
r
dA
dε (1)
In Richtung r wirkt die Leuchtfläche in der Größe
11
cos ε⋅A
. Daher ergibt sich für die
Lichtstärke
11
cos ε⋅⋅= ALI
und in den Raumwinkel dΩ gelangt der Lichtstrom
Ω
⋅
=
Φ
dId
.
Damit erhält die Fläche dA
2
den Lichtstrom.
0
2
2211
coscos Ω⋅
⋅⋅⋅
⋅=Φ
r
dAdA
Ld εε . (2)
Als Beleuchtungsstärke an der Fläche dA
2
ergibt sich E = dΦ / dA
2
.
Einstufige Abbildung des Lichtstroms und der Beleuchtungsstärke
Durch den Einsatz einer Linse kann ein größerer Lichtstrom Φ aufgefangen werden, der durch
die Eintrittspupille EP einer Linse begrenzt wird. Dieser Lichtstrom wird geschwächt durch
die Transmissionsverluste τ der Linse:
Φ
⋅
=
Φ
′
τ
. Als leuchtende Fläche wird A
1
als Eintritts-
luke EL durch die Linse abgebildet. Als Lichtstrom φ wird bei der Abbildung folgendes
aufgefangen:
0
2
sin Ω⋅⋅⋅⋅=Φ uAL
EL
π (3)
Der Lichtstrom ist proportional dem Quadrat der objektseitigen Apertur.
Die Beleuchtungsstärke E in der kleinen Bildfläche A
AL
(AL = Austrittluke) wird dann:
AL
A
E
Φ
⋅
=
τ
(4)
Für den Abbildungsmaßstab zwischen den Eintritts A
EL
- und Austrittsluken A
AL
gilt dann:
2
1
β′
=
AL
EL
A
A
(5)
Ebenfalls gilt für den Abbildungsmaßstab β’:
y
y
a
a
′
=
′
=
′
β (6)
Daher gilt für die Beleuchtungsstärke aus (3), (4) und (5):
S
YNTHESE
156
0
2
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅=
β
τπ u
LE (7)
Bei Erfüllung der Sinusbedingung für weit geöffnete Bündel wird dies aber:
0
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅= uLE τπ (8)
Die Beleuchtungsstärke ist proportional dem Quadrat der bildseitigen Apertur.
Für die Leuchtdichte bei abbildenden Systemen gilt:
LL
⋅
=
′
τ
(9)
Daher kann die Leuchtdichte innerhalb eines optischen Systems niemals größer werden als
die Leuchtdichte der Lampe.
Werden die geometrischen Faktoren aus (3) zusammengefasst, so kann der geometrische
Fluss G, d.h. das Etendué, [8.6, GALL, 2004] definiert werden:
0
2
sin Ω⋅⋅⋅= uAG
EL
π (10)
Damit gilt für den Lichtstrom
GL
⋅
=
Φ
(11)
Mit dem geometrischen Fluss kann man die Brauchbarkeit eines optischen Systems zur
Weiterleitung von Lichtenergie quantitativ beschreiben, wobei G auch als Lichtleitwert oder
als Etendué bezeichnet wird.
In Tabellen 5.14 wird der scannende Scheinwerfer exemplarisch dimensioniert.
Tabelle 5.14: Anwendung auf scannende Scheinwerfer – Teil 1
Objektweite Bildweite Abbildungsmaßstab β’
a = 50 mm a’= 25.000 mm β’ = 500
Laterale Ausdehnung y = 2,4 mm y’= 1.200 mm
y
y
a
a
′
=
′
=
′
β
Brennweite der Linse Linsen-∅ = 50 mm f’ = 50,1 mm
f = 50 mm
faa ′
=−
′
111
numerische Apertur sin u = 0,447 sin u’= 0,001
S
YNTHESE
157
Tabelle 5.14: Anwendung auf scannende Scheinwerfer – Teil 2
Linsendaten Linsen-∅ Brennweite f numerische Apertur
EP = 50 mm
f = 50 mm
unA sin
⋅
=
Wendelbildgröße 2,4 mm Breite 1,4 mm Höhe
=⋅= ²4,14,2 mmA
EL 3,36 mm²
sonstige Daten L >= 65 Mcd / m² τ = 0,96
Lichtstrom Φ
0
2
sin Ω⋅⋅⋅⋅=Φ uAL
EL
π
(3) 137,22 lm
Beleuchtungsstärke E
0
2
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅=
β
τπ u
LE
(7) 156,83 lx
0
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅= uLE τπ
(8) 196,03 lx (gleich mit (7) bei
erfüllter Sinusbedingung)
A
AL
(Wendelbild-
größe)
y’ = 1,2 m; x’ = 0,7 m
A
AL
= 0,84 m²
E = Φ/ A
AL
= 163,36 lx
Variation im Lichtstrom bei neuer Linse (1. Alternative)
Linsen-∅ = 50 mm f = 30 mm β’ = 833,333
numerische Apertur sin u = 0,64
Lichtstrom Φ
0
2
sin Ω⋅⋅⋅⋅=Φ uAL
EL
π
281,20 lm
Beleuchtungsstärke E
0
2
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅=
β
τπ u
LE
115,69 lx
A
AL
(Wendelbildgröße) y’ = 2,0 m; x’ = 1,167 m
A
AL
= 2,334 m²
E = Φ/ A
AL
= 120,48 lx
Variation im Lichtstrom bei neuer Linse (2. Alternative)
Linsen-∅ = 50 mm f = 80 mm β’ = 312,5
numerische Apertur sin u = 0,298
Lichtstrom Φ
0
2
sin Ω⋅⋅⋅⋅=Φ uAL
EL
π
61,0 lm
Beleuchtungsstärke E
0
2
2
sin Ω⋅
′
⋅⋅⋅=
β
τπ u
LE
178,59 lx
A
AL
(Wendelbildgröße) y’ = 0,75 m; x’ = 0,438 m
A
AL
= 0,328 m²
E = Φ/ A
AL
= 185,90 lx
S
YNTHESE
158
Bei gleichem Lichtstrom Φ’ (gleiche Eintritts-Numerische Apertur) nimmt
mit zunehmendem Abbildungsmaßstab β’
die Beleuchtungsstärke E mit β’² ab,
die Lichtstärke I mit β’² zu,
während die Leuchtdichte L eines Bildes im Medium Luft konstant bleibt.
Für einen Scheinwerfer mit einem Aperturwinkel von u, einem Reflexionsgrad ρ und einer
Fläche mit der Entfernung r, und wenn
y
f
Dr
EP
2
⋅≥
(12)
gilt, so kann man den gesamten Scheinwerfer als frei strahlende Fläche auffassen, dessen
Lichtstrom in den kleinen Winkelbereich 2w abgestrahlt wird (siehe Divergenz). Es handelt
sich dabei um eine runde strahlende Fläche und einen runden Querschnitt D
EP
des Scheinwer-
fers. A
2
, die Messfläche ist dabei:
²²
2
wrA ⋅⋅= π
. Für die Beleuchtungsstärke im Abstand r
gilt:
22
2
sin fu
r
L
E⋅⋅
⋅
⋅
=
ρ
π
(13)
Verringert man bei konstantem D
EP
die Brennweite, so werden sin u und damit der Lichtstrom
größer. Dieser Lichtstrom verteilt sich aber auf einer größeren Fläche, weil sich der Diver-
genzwinkel 2 w vergrößert.
Die Lichtstärkeverteilung des Scheinwerfers hängt von der Form der Reflektorfläche ab. Sie
wird durch Messungen ermittelt. Insgesamt wirkt der Scheinwerfer wie eine Leuchtfläche der
Größe A
EP
mit der Leuchtdichte.
LL
⋅
=
′
ρ
(14)
Daher ergibt sich auf der optischen Achse eine Lichtstärke von
EP
ALI ⋅⋅= ρ
(15)
(Maximallichtstärke des Scheinwerfers). Die Lampe hat allein nur eine Lichtstärke von
ELLampe
ALI ⋅= (16)
(A
EL
= Leuchtfläche). Abgesehen von Verlusten wird die Lichtstärke im Verhältnis der
Flächen Scheinwerferöffnung / Leuchtfläche erhöht.
Im Reflexionsgrad ρ sollen hier die übrigen Verluste (u.a. Abschattung der Spiegelfläche
durch die Lampe selbst, Absorption und Streuung in der Luft) einbezogen sein.
S
YNTHESE
159
Divergenz:
Es liegt keine punktförmige Lichtquelle vor, d.h. mit jeder Abbildung oder Reflexion des
Objektes wird das Bild mit dem Abbildungsmaßstab multipliziert.
Das hat zur Folge, dass das Verhältnis zwischen Objektweite und Bildweite möglichst gleich
groß sein sollte. Das ist in einem Ellipsoidreflektor an seinem Reflektorrand gegeben. Dieser
weist allerdings einen großen Öffnungswinkel auf, wodurch die nachfolgende Linse sehr groß
sein muss.
Hat die Lichtquelle eine Ausdehnung y (Gesamtausdehnung), so tritt bei einem Scheinwerfer
eine Divergenz von
f
y
w2
tan = (17)
auf. Hierbei ist w der halbe Divergenzwinkel ( f ist hier positiv).
Helmholtz-Lagrange-Invariante / Etendué:
σ
σ
′
⋅
′
⋅
′
=
⋅
⋅
nyny (18)
Das aus der Strecke in der Abbildungsebene, der Brechzahl und dem Strahlwinkel mit der
Achse (Aperturwinkel) gebildete Produkt ist für den paraxialen Objektraum und Bildraum
eines beliebigen Systems gleich.
Für die Abbe’sche Sinusbedingung gilt:
β
σ
σ′
=
⋅
′
⋅
kk
n
n
~
sin
~
sin
11
(19)
Mit der Abbildungsmaßstab (6) lässt sich für das nicht paraxiale Bündel die Helmholtz-
Lagrange-Invariante / Huygens-Helmholtzsche Gleichung / Etendué, schreiben:
σ
σ
′
⋅
′
⋅
′
=
⋅
⋅
~
sin
~
sin nyny (20)
In englischer Literatur wird das Etendué als: throughput, (luminosity), light grasp, acceptance
or étendue bezeichnet [8.6, BASS, 1995; 8.6, SCHRÖDER, 1998; 8.6 GALL, 2004; u.a.]
Fernrohr / Spiegelteleskopanordnungen:
Fernrohre dienen dazu den Sehwinkel von Objekten zu vergrößern.
Die Vergrößerung des Fernrohrs Γ’
F
ergibt sich als Produkt aus den Eigenvergrößerungen von
Objektiv Γ’
Ob
und Okular Γ’
Ok
:
OkObF
Γ
′
⋅Γ
′
=Γ
′
(21)
'
'
'
'
'
ObOk
Ob
F
fa
a
f
f
+
⋅−=Γ
(22)
S
YNTHESE
160
z.B. f’
Ob
= 100 mm, f’
Ok
= -50 mm; a = 10000 mm folgt: Γ’
F
= 1,98.
Folgen für die Divergenz: Tritt vor dem Fernrohr Divergenz auf (siehe oben), so wird diese
durch das Fernrohr noch um die Fernrohr-Vergrößerung multipliziert. Daher sind Einkoppel-
optiken in „Fernrohr-Anordnung“ nur zum Teil für scannende Scheinwerfer einsetzbar.
Anordnung der Spiegel:
Bei den Spiegeln gibt es folgende Untersuchungskriterien, siehe Abbildung 5.24:
Abbildung: 5.24: Exemplarische Anordnung einer Scan-Spiegel-Anordnung
Material:
Ein Galvanometer-Scanner besteht aus einer Drehachse, an deren einem Ende ein Spiegel
angebracht ist. Die Lagerung der Achse erfolgt mit Torsionsgelenken oder mit Spezial-
Rillenkugellagern mit freilaufendem Zwischenläufer-Ring. Ein Permanentmagnet auf der
Achse erzeugt ein Magnetfeld, das durch die äußere Anregung der Galvanometer-Spulen mit
einem Drehmoment beaufschlagt wird. Die Position der Scanner-Spiegel wird über einen
kapazitiven Sensor erfasst. [8.2, GSI Lumonics, 2003]
Das verwendete Material der Spiegel beeinflusst die Verwindungssteife und das Massenträg-
heitsmoment der Spiegel. Als Materialien werden Glas, Aluminium, Beryllium und faserver-
stärkte Kunststoffe eingesetzt.
( )
²²
12
hb
m
xx
+⋅=Θ
(24)
Vm
⋅
=
ρ
(25)
Neben der Masse m, der Dichte ρ und dem Volumen V der Spiegel, bestimmt deren Breite b
und deren Höhe h das rotatorische Trägheitsmoment Θ
xx
der Scannerspiegel, Abbildung 5.26.
Mit zunehmender Scan-Geschwindigkeit wirkt die Luft als Dämpfungswiderstand für die
Drehbewegungen der Spiegel. Das Massenträgheitsmoment des Spiegels und dessen Verfor-
mung unter hohen Beschleunigungsumkehrungen sorgen neben der Masse und dem Massen-
trägheitsmoment des Galvanometer-Permanentmagnet-Kerns für eine mechanische Torsion
innerhalb der Achse. Der Galvanometer-Scanner stellt ein mechanisch schwingfähiges
Kollimator
Strasse
KollimatorKollimator
Strasse
Ac
hsen
S
YNTHESE
161
System dar, das geregelt mit einer sensorgesteuerten Feedback-Schleife die Zielposition
anfährt.
Beim Resonanz-Scanner wird die Resonanzschwingung von Scannerspiegel, tordierter
Scannerachse und Permanentmagnet für eine große Auslenkung des Scannerspiegels verwen-
det. Das schwingfähige System erreicht nur in der Resonanzfrequenz seine maximale
vordefinierte Auslenkung und schränkt somit die Flexibilität in Auslenkwinkel und Wahl der
Scanfrequenz ein. Beliebige Stellbewegungen und ein statisches Verharren in einer Auslenk-
stellung sind ebenfalls nicht möglich, wodurch die Wahl auf einen Galvano-Meter-Scanner
gefallen ist.
Abbildung 5.25: Abhängigkeiten der Geometriebeziehungen
Geometrie:
Neben dem Material beeinflussen die Spiegelgeometrie, die Spiegelfläche, das Volumen und
die Verrippung die Verwindungssteifigkeit der Spiegel.
Die Spiegelfläche wird durch die relative Position der Spiegel zueinander, deren zulässiger
Schwenkwinkel und hauptsächlich durch den Strahldurchmesser beeinflusst, Abbildung 5.25.
Ideal wäre ein Brennpunkt zwischen den beiden Spiegeln, damit die Spiegelflächen minimal
wären. Die Divergenz des Strahles kann allerdings dann nicht mehr oder nur sehr aufwändig
durch eine f-Θ-Linse geändert werden, wie sie bei Laserbeschriftung eingesetzt wird. Diese f-
Θ-Linse sorgt bei der Laserbeschriftung für eine lineare Ablenkbewegung des Laserstrahls.
Ein optischer Multiplikator mit einem zwischengeschalteten starren Spiegel reduziert die
Schwenkwinkelanforderungen an einen Scannerspiegel. Der optische Multiplikator funktio-
niert bei sehr kleinen optischen Lichtbündeln gut, da diese mehrmals auf den bewegten
Spiegel zurückgelenkt werden muss, damit eine Winkelverstärkung eintreten kann. Bei
ausgedehnten Lichtbündeldurchmessern (∅ > 50 mm) ergeben sich sehr große Spiegelab-
messungen, die eine schnelle Spiegelverstellung fast unmöglich machen. Vgl.[8.8,
KAUSCHKE, 2004-5, Bilder des optischen Multiplikators, Figur 5, 6, 6.1, 6a – 6f]
Wird ein konvexer Spiegel nachgeschaltet, so kann zwar eine stärkere Ablenkung des
kollimierten Lichtstrahls erreicht werden, allerdings nur durch ein gleichzeitig geweitetes
Abbild der Lichtquelle. Bei einem nachgeschalteten konkaven Spiegel könnte bei geeigneter
Auslegung ein divergierender Strahl parallelisiert werden. Wird der Krümmungsmittelpunkt
des konkaven Spiegels nicht in den Drehpunkt des vorgeschalteten Spiegels gelegt, so tritt
auch hier eine Winkeländerung auf.
Divergenz des
Strahlenbündels
Abstände der
Spiegel
Anordnung
der Spiegel
Winkelaus-
lenkungen
S
YNTHESE
162
Die Anordnung der Spiegelachsen von 2 Scannerspiegeln und deren Minimum bei der
lateralen Strahlversetzung auf dem zweiten Scanner-Spiegel wird in [8.2, RICHTER, 2004]
vorgestellt. Die Verzeichnungen durch die Scanspiegelauslenkung werden dort ebenfalls kurz
dargestellt.
Abbildung: 5.26: Abhängigkeiten der Spiegelabmessungen, des Materials, der Steifigkeit und
der dynamischen Eigenschaften des Systems
In der folgenden Aufzählung werden die Einflußgrößen zur Spiegeldimensionierung noch-
mals kompakt zusammengefasst.
Einflussgrößen bei der Spiegeldimensionierung:
1. Divergenz / Konvergenz / Parallelität des Strahlbündels
2. Strahlbündeldurchmesser
3. Ablenkwinkel der Scannerspiegel
4. Abstand der Spiegel von einander
5. Einfalls- und Ausfallswinkel der Lichtstrahlen (spitze, rechte- oder stumpfe Winkel)
6. Orientierung der Spiegeldrehachsen
Spiegelab -
messungen
Dynamik -
anforderungen
Material
Trägheit
Verwindungs
-
steifigkeit
Resonanz -
frequenz
S
YNTHESE
163
Tabelle 5.15: Vergleich Polygon-Scanner und Galvanometerscanner
Scanner-Art Polygon-Scanner:
Galvanometer-Scanner 2-Achsen-Scan-
Spiegel
Drehachse eine eine zwei
Drehrichtung konstante Drehrichtung
zyklisch wechselnd zyklisch wechselnd
Geschwindigkeit ω = konst. (sehr hoch) ω = f (ϕ, t) (mittel) ω = f (ϕ, t) (gering)
Beschleunigung α = 0 (im Betrieb) α = f (ω, t) (hoch)
geringe Abstände
zwischen Rotor und
Stator
α = f (ω, t) (mittel),
große Abstände
zwischen Spiegel und
Aktoren
Winkelablenkung ∆ϕ = konst. (hoch) ϕ = f (t) (1 Achse) (hoch) ϕ = f (t) (2 Achsen)
(gering)
Bewegte Massen hoch gering mittel
Maßnahmen für einen
dreieckigen Zielraum
Blenden oder Dunkel-
tasten der Lichtquelle
erforderlich
Programmierung,
Anordnung der Scanner-
achsen
Programmierung
2-Ablenkung (vert.) Galvanometerscanner 2. Galvanometer-Scanner entfällt
Scan-Strategien der Lichtablenkung:
Tabelle 5.16: Scan-Strategien für 2 Galvanometer-Scanner (vert. und horiz. Ablenkungen)
Scan-Strategie (1) Scan-Strategie (2) Scan-Strategie (3)
Strahlenförmig Mäanderförmig Elliptisch
Tabelle 5.16 beschreibt unterschiedliche Scan-Strategien, wie eine aktive Scannender
Scheinwerfer-Lichtverteilung mit einem Scan-Strahlenbündel geschrieben werden kann. Die
Scan-Strategie (1) zeichnet sich durch eine Überlagerung der Strahlenbündel im HV-Punkt
aus, wodurch dort die höchste Lichtstärke erzielt wird. Scan-Strategie (2) ist mäanderförmig
aufgebaut. Hierbei wird die Lichtverteilung zeilenweise geschrieben. Die hohen Lichtstärken
nahe des HV-Punktes werden durch geringere Verfahrgeschwindigkeiten bzw. engere
Zeilenabstände erzielt. Die Scan-Strategie (3) zeichnet sich durch elliptische Bahnen aus,
wodurch Beschleunigungsspitzen bei der Bewegungsumkehr der Scan-Galvanometer-
Motoren reduziert werden können. Vergleiche hierzu auch [8.2, RICHTER, 2004].
S
YNTHESE
164
5.5.4 Konstruktiver Aufbau
In den meisten Fällen weist der scannende Scheinwerfer, Abbildung 5.27, einen Reflektor für
eine statische Grundlichtverteilung und eine Scan-Spiegel-Konfiguration auf. Die Scan-
Spiegel-Konfiguration kann mit einem Schwenkspiegel, der zwei orthogonalen Schwenkach-
sen besitzt, realisiert sein. Hierbei werden die Freiheitsgrade durch eine kardanische Aufhän-
gung ermöglicht. Alternativ lassen sich zwei Galvanometerscanner einsetzen, die jeweils eine
Schwenkachse aufweisen und in ihrer Kombination ein Ablenken des Strahlenbündels in zwei
Freiheitsgraden, horizontal und vertikal, ermöglichen. Der scannende Lichtanteil (kollimierter
Lichtstrahl) wird beispielsweise durch die Abbildung der Lichtquellenwendel ins Unendliche
erzeugt.
Für den konstruktiven Aufbau des scannenden Scheinwerfers sind Grundsatzüberlegungen zu
folgenden drei Anordnungen vorzunehmen:
Die ersten beiden Anordnungen haben eine seitliche Lichtauskopplung, wobei bei der ersten
Anordnung das durch die Linse abgebildete Wendelbild direkt auf einen ersten Schwenkspie-
gel gelenkt wird, der für eine horizontale Auslenkung des Wendelbildes zuständig ist. Seine
Schwenkachse steht annähernd senkrecht. Mit einem zweiten, etwas größeren Schwenkspie-
gel wird die vertikale Strahlablenkung realisiert. Dessen Schwenkachse liegt horizontal im
Raum. Über die Kombination der beiden Schwenkbewegungen kann das seitlich ausgekoppel-
te und abgebildete Wendelbild sowohl horizontal und als auch vertikal innerhalb der Lichtver-
teilung bewegt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Orientierung dieses Wendelbildes
auch nach der Strahlablenkung durch die Scannerspiegel weiterhin möglichst horizontal
verläuft. Diese erste Anordnung der scannenden Spiegel neben dem Grundlichtreflektor hat
den Nachteil, dass der Scheinwerfer relativ breit baut.
Dieser Nachteil kann mit der zweiten Anordnung, Abbildung 5.27, vermieden werden, bei der
sich ein starrer Umlenkreflektor zwischen der Auskoppellinse und den beiden Scanspiegeln
befindet. Dieser faltet den Strahlengang zusätzlich, sodass die Lichtaustrittsfläche der
statischen Grundlichtverteilung über dem Lichtauskoppelbereich der Schwenkspiegel liegt
[8.7, HÄRMENS, 2003; 8.8, KAUSCHKE, 2004-5; 8.2, GÖTZ, 2004]
Die dritte Anordnung, die hier kurz vorgestellt werden soll, besteht aus einem Projektions-
Scheinwerfer, bei dem die Blende durch einen starren Spiegel ersetzt wurde. Dieser wirft das
Licht auf eine scannende Schwenkspiegelkonfiguration, die den scannenden Lichtverteilungs-
anteil ablenkt. Durch diese Anordnung kann das Gesamtsystem relativ kompakt gestaltet
werden.
Bei konventionellen Lichtquellen ist die Leuchtdichte und die Ausdehnung der Lichtquelle
die bestimmende Größe. Diese beiden Ausgangsgrößen werden in dem Etendué und dem
geometrischen Fluss zusammengefasst. Da das Etendué einer Lichtquelle in einem Strahlen-
gang nicht verringert werden kann, im Gegenteil dieses sich im Laufe des Strahlenganges
S
YNTHESE
165
Abbildung 5.27: Scanner-Scheinwerfer, 1.Prototyp [8.7, HÄRMENS, 2003]
eines optischen Gerätes eher erhöht, ist es erforderlich eine Punktlichtquelle mit sehr hoher
Leuchtdichte anzustreben. Der eingefangene Lichtstrom ist abhängig von der Leuchtdichte
der Lichtquelle und dem Öffnungswinkel der Linse, vgl. auch [8.2, HOSTEIN, 2004], d.h. der
numerischen Apertur bzw. der halben Blendenzahl bzw. dem Verhältnis aus Linsendurchmes-
ser und deren Brennweite. Ausgehend von der Brennweite der Einkoppellinse und dem
Objektabstand (Wendelposition zur Hauptebene der Linse) wird die Bildentfernung festge-
legt, die mit 10m bzw. 25m angenommen wird. Je nach Wahl der Brennweite wird das
Abbildungsverhältnis und damit die Größe des Wendelbildes festgelegt. Nach diversen
Optiksimulationen der Scanstrahlanordnung und der Einkoppeloptik wurde eine Einlinsenlö-
sung ausgewählt, die einen Kompromiss darstellt zwischen maximal eingefangenem Licht-
strom, Abbildungsmaßstab und maximalem Durchmesser des scannenden Strahlenbündels.
Bei vorgegebener Leuchtdichte wird damit die resultierende maximale Lichtstärke des
Scanstrahlenbündels bzw. die resultierende maximale Beleuchtungsstärke in 25m Entfernung
bestimmt. Diese sollten so hoch wie möglich sein, um größere Variationsmöglichkeit in der
flexiblen Gestaltung der Lichtverteilung zu haben.
Mit einem optischen Multiplikator [8.1, SCHILLING, 1999; 8.8, KAUSCHKE, 2004-5; vgl.
Tab. 5.12, Zeile 5] können die dynamischen Anforderungen für die scannenden Spiegel
erheblich reduziert werden, da mit diesem Multiplikator eine Winkelverstärkung der Scanbe-
wegung um wenigstens den Faktor zwei erfolgt, zusätzlich zu der einfachen Winkelverdopp-
Grundlicht-
verteilung
1. Scannerspiegel
(horizontal)
Scan-Strahlen-
Bündel
2. Scannerspiegel
(vertikal)
Basis-
Reflektor
Statischer
Umlenkspiegel
S
YNTHESE
166
lung bei jedem geschwenkten, konventionellen Spiegel und einem Lichteinfall in der
Schwenkebene der Spiegelnormalen. Dafür ist es erforderlich, dass das erste abgelenkte
Scanstrahlenbündel auf einen statischen Referenzspiegel trifft, der das Licht auf den ge-
schwenkten Scanspiegel erneut zurückreflektiert. Da der zum zweiten Mal auf den ge-
schwenkten Spiegel treffende Scanstrahlenbündel jetzt bereits den doppelten Schwenkwinkel
durch die erste Reflexion auf dem Schwenkspiegel aufweist, tritt eine erneute Winkelver-
dopplung durch die zweite Reflexion auf dem Schwenkspiegel ein. Die gewünschte Lichtlen-
kung des Scanstrahlenbündels kann daher in dieser Anordnung mit dem halben Schwenkwin-
kel des Schwenkspiegels erzielt werden. Bedingt durch die Lichtlenkung des Scanstrahlen-
bündels und das erneute Auftreffen dieses Bündels auf den Schwenkspiegel muss dieser
relativ groß sein. Dieser Nachteil kann über eine geschickte Gestaltung der Form des
Schwenkspiegels oder dem Zusammensetzen aus mehreren Teilspiegelflächen entgegenge-
wirkt werden. Eine sägezahnförmige Anordnung von Spiegelflächen kann den Gesamtflä-
chenbedarf reduzieren, in dem die Abbilder der Spiegelflächenstreifen jeweils auf einen
zweiten Spiegelflächenstreifen trifft, der die zweite Lichtauslenkung hervorruft. Eine
windschiefe Anordnung der Spiegelflächen zueinander ist ebenfalls von Vorteil. Anstelle
eines planen starren Zwischenspiegels kann eine zylinderförmige oder kugelförmige Zwi-
schenspiegelfläche verwendet werden, die die Lichtbündelorientierung in sich umkehrt, aber
dafür einen wesentlich kleineren Schwenkspiegel des optischen Multiplikators ermöglicht, da
der erneut einfallende Lichtstrahl annähernd dieselbe Orientierung hat wie der von der ersten
Reflexion ausgesandte Lichtstrahl. Bei einem ausgedehnten Strahlenbündel steigt dabei
gleichzeitig durch die Reflexion an der gekrümmten Spiegelfläche die Divergenz des
Strahlenbündels unvorteilhafterweise an. Dennoch ist dieser Ansatz bei einer Laserlichtquelle
theoretisch einsetzbar [8.8, KAUSCHKE, 2004-5].
In der Nachfolge-Diplomarbeit von [8.2, HOSTEIN, 2004] wurde auf die optische Verbesse-
rung des fahrfähigen Scanner-Aufbaus von [8.7, HÄRMENS, 2003] besonderen Wert gelegt.
Neben einer neuen Lampe mit höherer Leuchtdichte, kürzerem Elektrodenabstand und einer
höheren elektrischen Leistung wurden die Kollimations-Linse in ihrer Apertur erhöht und
größere Spiegeldurchmesser verwendet, Tabelle 5.17, 2.Prototyp. Das Gesamtbauvolumen
konnte weiter reduziert werden. Mit diesem Verbund an Maßnahmen konnten die lichttechni-
schen Werte um 21 bis 59% bei Lichtstrom und Beleuchtungsstärke weiter gesteigert werden,
Tabelle 5.17.
Verbesserungspotenzial besteht in der verwendeten Lampe, dem geometrischen Lay-out der
Spiegel, der Flächenreduktion der zwei Scanner-Spiegel und unter Verzicht auf einen
statischen Umlenkspiegel sowie der Verbesserung der Reflexionsbeschichtung und der
Verwindungssteifigkeit der Spiegel. Die Dynamik der Galvanometer-Scanner und die
maximal erzielte Beleuchtungsstärke des scannenden Lichtbündelanteils sind wichtige
Kenngrößen für die flexiblen Möglichkeiten der Lichtverteilungsprogrammierung und
scannenden LSV-Erzeugung. Die Fernlichtverteilung stellt dabei die anspruchsvollste
Lichtverteilung dar, da sie die größten Scan-Bewegungen und die höchsten Lichtwerte
erfordert.
S
YNTHESE
167
Einsatzszenarien wären dabei ein Zusatzfernlicht oder ein Hauptfernlicht in konventioneller
Halogen- oder LED-Lichttechnik, die das scannende Fernlicht unterstützen oder nur für das
Fernlicht eingesetzt werden. Der scannende Scheinwerfer würde dann ausschließlich die
Abblend-, Autobahn-, Schlechtwetter-, Fahrerspezifische- und Markierungslichtfunktionen
übernehmen. Scannende Scheinwerfersysteme, die nur einen scannenden Anteil und nicht
gleichzeitig eine Grundlichtverteilung formen, ermöglichen eine deutliche Reduktion des
Gesamtbauraums, wobei die Grundlichtverteilung und das Fernlicht mit einem separaten Bi-
Xenon-System z.B. geformt werden könnte. Die neue AFS-Gesetzgebung ab 2006 würde eine
unsymmetrische Lichtverteilungskombination ermöglichen, sodass evtl. nur ein scannender
Scheinwerfer pro Fahrzeug erforderlich wäre, welcher die Kosten und das Gesamtbauvolu-
men erheblich senken würde.
Die Kombination von scannendem Scheinwerfer und Reflexions-Grundlichtverteilung ist sehr
platzintensiv und ist für zukünftige Prototypen aus Bauraumgründen zu vermeiden. Die
Leuchtdichte der Lichtquelle und eine effiziente Kollimationsoptik sind die Hauptstellgrößen
für eine lichtstärkeren scannenden Lichtverteilungsanteil. Ein Projektionssystem mit idealem
Ellipsoid-Reflektor, einer evtl. sogar variablen Scan-Strahl-Rechteckblende und einer
asphärischen Linse wäre optimal für einen scannenden Projektions-Scheinwerfer. Das
Massenträgheitsmoment der Scan-Spiegel muss dabei minimal sein, die Beschleunigungswer-
te der Galvanometer-Motoren und der Reflexionsgrad der Scan-Spiegel müssen jedoch
maximiert werden.
S
YNTHESE
168
5.5.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit scannender Scheinwerfer
Im L-LAB wurde in der Diplomarbeit von [8.7, HÄRMENS, 2003] ein erster scannender
Scheinwerfer aufgebaut. Dieser wurde in der Optikforschung der Hella KG im Rahmen einer
Diplomarbeit von [8.2, HOSTEIN, 2004] optimiert. Ein Vergleich der Leistungswerte der
beiden scannenden Scheinwerfer ist in Tabelle 5.17 vorgenommen.
Tabelle 5.17: Vergleich der Leistungsfähigkeit der scannenden Scheinwerfer-Prototypen
Kategorie Scanner-Scheinwerfer (I)
Scanner-Scheinwerfer (II) Vgl. von (II)
mit (I) in %
Lichtverteilung scannend abgelenkter
Spot
scannend abgelenkter Spot
Erhöhung des Gesamt-Wirkungs-
grades / Zusatzlicht-Funktionen
Xenon 35 W, D2R
modifiziert
Xenon 50 W, D2R
modifiziert, Kurzbogen
Diplomarbeiten von [8.7, HÄRMENS, 2003] [8.2, HOSTEIN, 2004]
Streubreite ca. +/-30° ca. +/-35° + 17 %
Leistungsbedarf der Lampe [W]
(Lampenlichtstrom [lm])
35 W (bei 3.200 lm) 50W (bei 3.900 lm) + 43 %
(+22 %)
maximaler Lichtstrom 984 lm 1193 lm + 21 %
E
max
des Spot (Scannender Anteil) 80,5 lx (bei 66 lm) 198,5 lx (bei 240,2 lm) +147 %
E
max
Grundlichtverteilung (GLV) 43 lx (bei 910 lm) 48,6 lx (bei 747,3 lm) + 13 %
E
max
Abblendlicht (LB) 79,2 lx (bei 976 lm) 118,7 lx (bei 1.193 lm) +50 %
E
max
Autobahnlicht (ML) 100 lx (bei 976 lm) 126,1 lx (bei 1.155 lm) +26 %
E
max
Fernlicht (HB) 49,6 lx (bei 976 lm) 78,7 lx (bei 1.147 lm) +59 %
Kontrast HDG aufgeweitet HDG stärker aufgeweitet ca.+33 %
Wirkungsgrad-Gesamtsystem
(HB)
27,9 lm / W bei jeder
LSV
23,86 lm / W bei jeder
LSV
-14,5 %
Bauraum ca. (h x b x t) 200 x 216 x 250 (216+90) x 185 x 250 ca. +31%
E
max
= maximale Beleuchtungsstärke [lx]( bei Lichtstrom [lm]) in 25m Entfernung.
Kennzeichen des scannenden Scheinwerfers ist sein konstanter Lichtstrom in allen Lichtver-
teilungen. Dieser Lichtstrom wird neben einer konstanten, statischen Grundlichtverteilung
(GLV) für einen scannenden Lichtverteilungsanteil (SLV) verwendet, der flexibel verteilt
werden kann. Beim ersten Prototypen (I) hat dieser SLV-Anteil eine maximale Beleuchtungs-
stärke von 80,5 lx bei einem Lichtstrom von 66 lm. Der Lichtstrom des SLV-Anteils der
Lichtverteilung ist ein maßgeblicher, limitierender Faktor für die maximale Lichtstärke und
die daraus resultierende maximale Beleuchtungsstärke der scannend geformten Lichtvertei-
lungen. Dieser Lichtstrom kann je nach Ansteuerung der Scannermotoren und damit je nach
gewünschter Scheinwerferlichtverteilung über einen kleineren oder größeren Raumwinkel
S
YNTHESE
169
verteilt werden, sodass die maximale Beleuchtungsstärke in der Messentfernung von 25m
maximal der des SLV-Anteils (additiv zum winkelpositionsabhängigen GLV-Anteil) betragen
kann (bei einem ruhenden SLV-Anteil). Beim ersten scannenden Scheinwerfer-Prototypen
wird in der Autobahnlichtverteilung der SLV-Anteil nicht bewegt und hat daher die höchste
resultierende maximale Beleuchtungsstärkesumme aus SLV und GLV, Tabelle 5.17. Bei der
Abblendlichtverteilung und insbesondere bei der Fernlichtverteilung muss ein größerer
Raumwinkel durch den SLV-Anteil abgedeckt werden, sodass die resultierende maximale
Beleuchtungsstärke geringer ausfüllt. Bisher ist die maximale Beleuchtungsstärke in der
Fernlichtverteilung beim scannenden Scheinwerfer noch zu niedrig.
Beim zweiten scannenden Scheinwerfer-Prototypen (II), der bei der Optikforschung der Hella
KG aufgebaut wurde [8.2, HOSTEIN, 2004], konnte auf die Vorarbeiten von [8.7, HÄR-
MENS, 2003] zurückgegriffen werden. Hierbei wurden die lichttechnischen Eigenschaften
des Scanners weiter optimiert. Eine Anhebung der Lampenleistung der Gasentladungslampe,
die zu einem erhöhten Lichtstrom und einer erhöhten Leuchtdichte führte, ermöglichte neben
einem größeren Linsendurchmesser und einer kleineren Blendenzahl k = (f / D) (Brennweite /
Durchmesser der Linse) einen erheblich erhöhten Lichtstrom bei einer merklich gestiegenen
resultierenden Beleuchtungsstärke des SLV-Anteils. Durch diese geänderte Linsenauswahl
konnte die relative Öffnung (1 / k) der Linse vergrößert und damit der in den SLV-Anteil
eingekoppelte Lichtstrom deutlich gesteigert werden. Die Grundlichtverteilung GLV hat eine
etwas höhere maximale Beleuchtungsstärke bei einem etwas reduzierten Lichtstrom. Die
Lichtwerte der Abblendlicht- und Autobahnlichtverteilung sind vergleichbar oder besser als
heutige Projektionsscheinwerfer (gesetzliche Vorgaben werden z.T. überschritten). Die
resultierende Beleuchtungsstärke der Fernlichtverteilung muss noch gesteigert werden. Durch
die Leistungserhöhung der Lampe ist der Lichtbogen weniger scharf begrenzt, sodass der
Kontrast an der Hell-Dunkel-Grenze etwas abgenommen hat. Der Wirkungsgrad der Lampe
ist durch die Leistungserhöhung reduziert worden. Die Konsequenzen der bisher nur kurzzei-
tigen Leistungserhöhung auf die Lebensdauer der Elektroden und der Lampe sind in Zukunft
noch zu untersuchen. Das Hauptbauvolumen ist für die beiden Prototypen des scannenden
Scheinwerfers weitestgehend konstant geblieben, wenn vom Bauvolumen des Scanner-
Motors des zweiten, für die horizontale Lichtablenkung zuständigen Scanner-Spiegels des
zweiten Prototypen abgesehen wird. Bei beiden scannenden Scheinwerfer-Prototypen wurde
bei den Mehrfachreflexionen an den statischen und scannenden Spiegeln darauf geachtet, dass
das Wendelbild des SLV-Anteils stets horizontal orientiert ist und dass die Reflexionsverluste
an den Spiegeln minimiert werden.
Zusammengefasst hat die Optikoptimierung des scannenden Scheinwerfers und die Anpas-
sung der Lampengeometrie und -leistung dessen Leistungspotenzial erheblich gesteigert. Die
etwas kleineren Spiegelabmessungen und das geänderte Scanner-Spiegelmaterial sind für die
Dynamik der Scannerspiegel förderlich. Der etwas größere Beschnitt des Reflektors für die
Grundlichtverteilung hat kaum Konsequenzen auf die resultierende Lichtverteilung, da die
Lampenleistung angehoben wurde.
S
YNTHESE
170
5.6 Flexprisma
5.6.1 Funktionssynthese
Ausgehend von den allgemeinen Grundlagen des Flexprismas in Kapitel 4.6.5 wird hier die
Funktionsstruktur des Nebenkonzepts Flexprismas aufgegliedert in Hauptfunktionen HF und
Störfunktionen SF. Hauptfunktion des Flexprismas ist die Lichtlenkung eines Strahlenbün-
dels, wobei Prismenkörper bzw. prismenähnliche Optikaufbauten verwendet werden sollen.
Dadurch stellt das Flexprisma eine Alternative dar zu analog bewegten Spiegeln (vgl.
Messemuster Audi Avantissimo), welche die gesamte Lichtverteilung ablenken. Eine weitere
Möglichkeit konventionelle Lichtverteilungen abzulenken bzw. neu gemäß dem Straßenver-
lauf auszurichten, besteht in dem Schwenken der gesamten Scheinwerfereinheit, wie es bei
Projektions- oder Reflexionsschwenkmodulen durchgeführt wird.
1. HF: Lichtlenkung eines Strahlenbündels mit variabel geneigten, überwiegend
ebenen Optikflächen
2. HF: Neigung / Rotation / Translation einer (geneigten) ersten optisch wirksa-
men Optikfläche
3. HF: Neigung / Rotation / Translation einer (geneigten) zweiten optisch wirk-
samen Optikfläche
4. HF: Antrieb für die erste Optikfläche
5. HF: Antrieb für die zweite Optikfläche bzw. Kopplung der Neigungen der
wirksamen Optikkörper
6. HF: Regelung der Treiberstufen der Antriebe in Abhängigkeit der Position der
wirksamen Optikflächen und der Zielwinkelvorgaben der Regelung
7. SF: Dispersion (chromatische Aberration) an einer optischen Prismengeomet-
rie, Lichtstromverluste, Fresnel’sche Reflexionen, Verkrümmung der Lichtver-
teilung, geringe Neigung der Lichtverteilung
8. SF: Vibrationen, Temperatur, Feuchtigkeit, Staub, konstante bzw. unregelmä-
ßige, spektral gespreizte Beschleunigungen („Breitband-Rauschprüfung“)
Die Funktionsstruktur des Flexprisma ist in Abbildung 5.28 dargestellt.
Ausgehend von der ersten Idee zur Lichtablenkung über ein Flexprisma in der Anfangsphase
dieser Promotion sind zwei Diplomarbeiten zu diesem Thema entstanden. In der ersten
Diplomarbeit von [8.7, BERHEIDE, 2004] wurden diverse Möglichkeiten zur Lichtvertei-
lungsbeeinflussung aufgezeigt und ein erstes Muster eines Rotationsflexprismas aufgebaut,
das mit Gleichstrommotoren und Servo-Ansteuerungselektronik betrieben wurde. In einer
zweiten Diplomarbeit von [8.7, KOCH, 2005] wurde die Programmierung und Ansteuerung
über Schrittmotoren, sowie eine Referenzierungs-Sensorik umgesetzt, sodass nun eine Punkt-
S
YNTHESE
171
zu-Punkt-Ansteuerung der Lichtablenkung mit frei programmierbaren Verfahrwegen möglich
wurde. Die Steuerung der Schrittmotoren stellt im Falle der Referenzierung einen Regelkreis
dar (Referenzierungs-Sensorik). Anschließend wird durch den Einsatz von Schrittmotoren
anstelle eines Regelkreises eine „Vorwärts“-Steuerung eingesetzt. Teile der hierbei entstande-
nen Abbildungen und der Theorie zum Flexprisma werden aus der Diplomarbeit von Koch
zitiert.
Abbildung 5.28: Funktionsstruktur des Flexprismas
In der Ausführungsform des Flexprismas als Rotationsflexprisma kann eine Hebelanalogie
herangezogen werden, um die funktionalen Eigenschaften des Flexprismas besser erläutern zu
können, Tabelle 5.18. Dabei werden die resultierenden Lichtablenkungen eines Lichtbündels
S
YNTHESE
172
der optisch wirksamen Flächen durch die Hebelarmlängen eines Doppelarm-Roboters ersetzt.
Die Lichtablenkungen sind mit einander gekoppelt in Analogie zu den Hebelarmen eines
Doppelarm-Roboters.
Tabelle 5.18: Hebelanalogie zwischen Rotationsflexprisma und 2Hebel-Rotations-Roboter
Rotationsflexprisma 2-Hebel-Rotations-Roboter (Doppel-
arm-Roboter, Doppelpendel)
1. Hebelanalogie 1. Lichtablenkung über
1.Prismenwinkel
1. Hebelarmlänge
2. Hebelanalogie 2. Lichtablenkung über 2.
Prismenwinkel
2. Hebelarmlänge
Ursprung Optische Achse des Systems Rotations-Ursprung des 1. Hebelarms
Drehachse der Hebel Optische Übertragungsfunktion
zwischen 1. optisch wirksamer
Fläche und 2. optisch wirksamer
Fläche
Drehachse zwischen 1.Hebelarm und
2. Hebelarm
Resultierende Hebelposi-
tion
Superposition der optischen
Hebellängen
Superposition der mechanischen
Hebellängen
Maximaler Aktionsradius
(Aktionsfeld)
gleiche Winkelstellungen der
optischen Flächen bzw. optischen
Prismenwinkelvektoren
gleiche Winkelstellungen der
mechanischen Hebelarme
Ursprungsrotation Optische Rotation der beiden
Prismen mit gleicher Geschwin-
digkeit bei keiner resultierenden
Lichtablenkung („Nachbar-
Showmodus“)
Mechanische Rotation des 1.
Hebelarms, wobei der 2. Hebelarm
exakt in die entgegengesetzte
Richtung zeigt (keine bzw. nahe dem
Ursprung geringe Absolutgeschwin-
digkeit bei hoher Relativrotation des
ersten Hebelarms)
Resultierende Geschwin-
digkeit
Vektorielle Addition der optischen
Prismen-Lichtablenkungs-
Vektoren bzw. deren Ableitungen
nach der Zeit
Vektorielle Addition der Hebelarm-
längen bzw. Verfahrgeschwindigkei-
ten
Maximale Geschwindig-
keit
durch Prismenrotationsgeschwin-
digkeit und relative Lage im
Aktionsfeld bestimmt.
Durch Hebelarmrotationsgeschwin-
digkeit und relative Lage im
Aktionsfeld bestimmt.
Wie aus Abbildung 5.29 ersichtlich, gibt es mehrere Prismenstellungen, mit denen die
gewünschte Zielposition der optischen Lichtablenkung erzielt werden kann.
S
YNTHESE
173
Abbildung 5.29: 2 Winkelstellungen für die gleiche Zielposition in der Aktionsfläche [8.7,
KOCH, 2005]
Sehr anschaulich sind die Konsequenzen ungleicher Prismenwinkel, die Abbildung 5.30
darstellt. Dadurch werden Teilbereiche innerhalb der Aktionsfläche nicht mehr erreichbar.
Abbildung 5.30: Ungleiche Prismenwinkel führen zu einem zentralen, nicht anfahrbaren
Bereich [8.7, KOCH, 2005]
Da die absolute Verfahrgeschwindigkeit der Lichtverteilung eines Flexprismas nahe dem
Ursprung der Aktionsfläche merklich absinkt (Ursache ist die begrenzte relative Verfahrge-
schwindigkeit der Rotationsprismen, siehe Abbildung 5.31 und 5.32), kann als eine Abhilfe-
maßnahme auf einen geänderten Aktionsbereich oberhalb bzw. unterhalb des Ursprungs der
Aktionsfläche zugegriffen werden. In diesen Anwendungsfällen lässt sich bei geeigneter
Dimensionierung der Prismen ebenfalls ein horizontaler Schwenkbereich von +/-15° bzw. ein
vertikaler Kippbereich von +/-4 ° realisieren.
Eine Gegenmaßnahme gegen das Absinken der absoluten Verfahrgeschwindigkeit nahe dem
Ursprung ist eine Verlagerung des aktiv genutzten Bereichs, d.h. oberhalb oder unterhalb des
Ursprungs, siehe Abbildung 5.32 bzw. Abbildung 5.30.
S
YNTHESE
174
Abbildung 5.31: Relative Verfahrgeschwindigkeit bei unterschiedlichen vertikalen Winkeln
eta. Deutlicher relativer Geschwindigkeitsanstieg nahe dem Ursprung (eta = 0,5°, phi im
Intervall[ –1,5°; +1,5°], vgl. Abb. 5.32) [8.7,KOCH, 2005]
Abbildung 5.32: Absolute Verfahrgeschwindigkeit innerhalb der kreisförmigen Aktionsfläche
des durch 2 optisch wirksame Flächen abgelenkten Lichtbündels. Eta: vertikaler Absolutwin-
kel; Phi: horizontaler Absolutwinkel [8.7, KOCH, 2005]
Eta in °
Phi in °
S
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175
Die Lichtlenkung ist gekennzeichnet durch variable Teilsysteme, bei der das Gesamtsystem
als Ganzes geschwenkt werden kann. Unterabarten sind davon nur geschwenkte Linsen, z.B.
von Zizala. Die geschwenkten Gesamtsysteme teilen sich in Projektions- und Reflexionssys-
teme auf. Insbesondere im japanischen Markt wurde der Weg des Schwenken von nur Teilen
der Lichtverteilung begangen. Da das Schwenken des Gesamtsystems einen erhöhten
Platzbedarf benötigt, wurde der Weg eines Kipp- bzw. Schwenkspiegels z.B. im Audi
Avantissimo Prototypen aufgezeigt, bei dem ein dem Gesamtsystem vorgelagerter, variabel
kipp- und schwenkbarer Spiegel die Gesamtlichtverteilung ablenkt. Eine interessante
Alternative dazu stellt das Flexprisma dar, das mit einem variablen Prismenwinkel durch
Refraktion ein Ablenken des Gesamtstrahlenbündels bewirkt. Ebenso wie beim vorgelagerten
Spiegel wird auch durch das Flexprisma ein gänzlich neues Erscheinungsbild erzielt. Eine
vierte Möglichkeit eine variable Lichtlenkung zu erzielen besteht in der variablen Ansteue-
rung von mehreren Lichtquellen, die durch ihre Anordnung im optischen System eine
Lichtverteilung mit variierter Abstrahlcharakteristik und / oder in unterschiedlichen Abstrahl-
richtungen ausgerichtet sind. Durch das sequentielle Auf- und Abdimmen der in sich stati-
schen Lichtverteilungen kann für den Betrachter eine scheinbar geschwenkte Lichtverteilung
geformt werden.
Die Topologie der Lichtablenkungsmöglichkeiten werden in Abbildung 5.33 visualisiert.
Abbildung 5.33 Topologie der variablen Lichtlenkungsmodule und –funktionsbaugruppen
Mischformen aus den in Figur 5.33 erwähnten Lichtlenkungsmodulen sind ebenfalls interes-
sante Varianten einer neuartigen Lichtlenkeinheit. Eine Übersicht dazu kann Tabelle 5.19
liefern.
Gesamt-LSV oder Teil-LSV als
Scheinwerfersystem geschwenkt:
Projektions-Schwenkmodule,
Reflexions-Schwenkmodule
Reflexion: Variable Spie-
gelnormalen (geschwenkt)
Audi Avantissimo-Patent,
VW
-
Patent, Bosch
-
Patent
Refraktion: Variable
Lichtlenkung Flexprisma
2 Hella-Patente, variable
Totalreflexionsprismen
Variable Lichtquelle: Mehrfaden-
lichtquellen, LED-Module, LED-
Arrays: mehrere statische,
konventionelle Lichtverteilungen
S
YNTHESE
176
Tabelle 5.19: Systematik zur optisch variablen Lichtlenkung: Morphologischer Kasten
Hybride Schwenkmodule lassen sich durch die Kombination aus einer optischen Verstärkung
eines mechanischen Schwenkens definieren, bei der die Lichtverteilung zu den Rändern des
mechanischen Schwenkintervalls über ein optisches Prisma zusätzlich verstärkt werden.
Lichtvertei-
lung
eigenständig, statisch subtraktiv additiv umgelenkt
Systemansatz
Gesamtsystem Teilsystem
Vorsatzoptik Reflektor / Spiegel Reflektor / Spiegel
geschwenkt, gekippt
Prisma statisch Prisma variabel /
Flexprisma
Flexprisma Prismenkeile Halbzylinder /
Zylinderwanne
Halbkugel /
Kugelpfanne
Ebene Platten mit
Gel- / Wassermasse
Bewegungs-
richtung
Rotation Translation
Drehachsen Parallel zur optischen
Achse
Senkrecht zur
optischen Achse
Schief zur
optischen Achse
Kardanisches
Schneiden der
Achsen
Anzahl einfach zweifach mehrfach
Hybrid Gesamtsystemschwen-
ken mit optischer
(Rand-) Verstärkung
(konkaves Prisma)
eine horizontale
Kippbewegung und
ein Rotations-
flexprisma
eine vertikale
Kippbewegung
und ein Rotati-
onsflexprisma
Verschmelzen von
Linse und erstem
Rotationsprisma
Hybrid LED-Arrays mit
variablen Reflektoren,
Prismenelementen oder
als Gesamtsystem
geschwenkt
S
YNTHESE
177
5.6.2 Modularisierung
Das Flexprisma kann in vier Hauptmodule gegliedert werden:
1. Variables Lichtlenkungsmodul
1.1 Erster Flexprismaoptikkörper
1.2 Zweiter Flexprismaoptikkörper
2. Antriebsmodul
2.1 erste Elektromotor-Getriebegruppe für ersten Flexprismaoptikkörper
2.2 zweite Elektromotor-Getriebegruppe für zweiten Flexprismaoptikkörper
3. Sensormodul
3.1 Sensor zur Erfassung der Absolut- bzw. Relativposition des ersten Flexprismaop-
tikkörpers
3.2 Sensor zur Erfassung der Absolut- bzw. Relativposition des zweiten Flexprismaop-
tikkörpers
4. Ansteuerungsmodul mit Mikrocontroller zur Auswertung der Sensorinformationen
und zur Ansteuerung der beiden Antriebsmodule des ersten und zweiten Flexprisma-
optikkörpers gemäß vorgegebener Kurvenscharen
Zur Kostenoptimierung können das erste und zweite Sensormodul miteinander kombiniert
werden, indem z.B. mit einer Lichtschranke beide Prismen sequentiell positionserfasst werden
und nach dieser absoluten Positionserfassung eine relative Schrittzählung über zwei Schritt-
motoren erfolgt [8.7, KOCH, 2005]. Die Elektromotor-Getriebegruppen werden daher als
Schrittmotoren ausgeführt, deren Ansteuerparameter, Geschwindigkeits- und Dynamikverhal-
ten leichter als bei Gleich- oder Wechselstrommotoren kontrolliert werden kann. Über eine
geeignete Getriebeübersetzung (Untersetzung, Verstärkung des unbestromten bzw. höheren
bestromten Haltemoments des Schrittmotors) wird eine Selbsthemmung der Flexprismaoptik-
körper unter Vibration erzielt. Dennoch darf die Getriebeübersetzung nicht zu hoch gewählt
werden, da sonst Dynamikeinschränkungen bei den maximal möglichen Beschleunigungen
und den maximalen Endgeschwindigkeiten der Flexprismaverfahrgeschwindigkeiten
bestehen. Beim Einsatz von Schrittmotoren liegt eine offene Steuerkette vor. Werden
Gleichstrommotoren und eine permanente Positionserfassung eingesetzt, so liegt ein ge-
schlossener Steuerkreis vor. Über die Wahl der Systemkomponenten des Steuerkreises und
deren Systemverhalten kann die Genauigkeit oder die Dynamik des Regelkreises beeinflusst
werden.
Wird die Systemgrenze des Flexprismas weiter gefasst, so kann der erste Flexprismaoptikkör-
per mit der Linse eines Projektionsmoduls kombiniert werden. Hierzu ist eine aufwändige
Freiformberechnung der Kombination aus asphärische Linse und erstem Flexprismaoptikkör-
S
YNTHESE
178
per erforderlich. Durch die Kombination der Optikkörper wird die Zahl der lichtstromverlust-
behafteten Grenzflächen der Optikkörper um zwei Grenzflächen gesenkt. Gleichzeitig kann
die Gesamtmasse des optischen Systems reduziert werden. Die Blendwerte durch Streulicht
und Fresnel’sche Reflexionen werden ebenfalls positiv beeinflusst.
Die Form der Optikkörper des Flexprismas erfordern eine Anpassung der mechanischen
Aufhängung und Lagerung der Prismenkörper und eine Anpassung der Antriebs- und
Sensormodule.
Wird der Freiheitsgrad geänderter Materialpaarungen hinzugezogen, so kann bzw. könnte
über ein optisch neutrales Gel zwischen den Optikkörpern der Brechzahlunterschied zwischen
den beiden benachbarten Grenzflächen der Flexprismaoptikkörper und dem dazwischenlie-
genden Luftspalt reduziert werden, wodurch die Lichtverluste im Flexprisma ebenfalls
absinken würden. Das optisch neutrale Gel müsste durch seine Konsistenz, Dickflüssigkeit
bzw. durch eine Dichtung am Herauswandern bzw. Herausfließen aus dem Spalt zwischen
den beiden Flexprismaoptikkörpern gehindert werden.
Alternativ könnte das Flexprisma aus einer Flüssigkeits- oder Gelblase aufgebaut werden,
wobei die Flüssigkeit oder das Gel in einer transparenten, elastischen Folientüte einge-
schweißt sein könnte. Da die optischen Flächen des Flexprismas eben sein müssen, werden
die optisch aktiven Flächen der Folientüte durch ebene Glas- oder Kunststoffplatten in ihrer
Form, selbst unter Vibration, gehalten. Neben dieser ebenen Formen der Glas- und Kunst-
stoffplatten, die optiklos ausgeführt sein können, sind auch integrierte Optikelemente denkbar,
die eine konstant vorgegebene Lichtlenkung bewirken und z.B. für eine erhöhte Streubreite
des Scheinwerfersystems oder eine vorgegebene Abstrahlrichtung sorgen. Die Glas- oder
Kunststoffplatten sind so gelagert, dass sie Drehbewegungen um eine oder zwei zur optischen
Achse senkrechte Achsen durchführen können. Neben mindestens einer vertikalen Achse für
das dynamische Kurvenlicht sind auch mindestens eine horizontale Achse für die Leuchtwei-
tenregelung erforderlich. Durch eine geeignete Gestaltung von seitlich bzw. oben und unten
angeordneten Flächen wird verhindert, dass die Folientüte mechanisch aus ihrer Solllage
herauswandert. Als Flüssigkeiten sind z.B. Wasser, Salzlösung, Silikon oder Ethanol,
Pentanol oder Frostschutzmittel einsetzbar.
Wie in Tabelle 5.20 beschrieben, können die Achsen des Flexprismas mehrere Orientierun-
gen, z.B. parallel, senkrecht (radial) oder schräg zur optischen Achse einnehmen. Teilweise
sind deren Bewegungen auch mit gleichzeitigen Bewegungen des vorgelagerten Scheinwer-
fersystems kombinierbar. Je nach Konfiguration des Flexprismas und der gewünschten
Schwenk- und Lichtfunktionen können die mechanischen Bewegungen mechanisch funktio-
nal durch ein Getriebe, z.B. Viergelenkkette, Zahnradgetriebe etc., gekoppelt werden,
wodurch die Zahl der Antriebe auf einen reduziert werden kann.
Beim Flexprisma liegt der klassische Aufbau eines mechatronischen Systems vor [vgl.
8.1,WALLASCHEK, 2002; 8.2, BÖRNCHEN, 2001].
S
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179
5.6.3 Dimensionierung
In der Diplomarbeit von Berheide [8.7, BERHEIDE, 2004] wurden Möglichkeiten der
Lichtverteilungsbeeinflussung aufgezeigt. Nach einer Bewertungsmatrix hat sich das Rotati-
onsflexprisma mit festen Prismenwinkeln, die um die optische Achse rotiert werden, als
konstruktiv einfachste und technisch beste Lösung herausgestellt. Für dessen Dimensionie-
rung gilt: Als Prismenmaterial wurde PMMA („Plexiglas“) mit dem Brechungsindex von
n=1,49 eingesetzt. Die Prismen sind als Prismen mit Planflächen bzw. ein Prisma ist als
Fresnel-Scheibe mit z.B. neun Zahnungen, verteilt über einen Durchmesser von 90mm
ausgeführt. Der einfallende Lichtstrom fällt unter dem Winkel α
1
auf die erste Prismengrenz-
fläche, wird gebrochen und fällt dann unter dem Winkel α
2
auf die zweite Prismengrenzflä-
che, an der er ein zweites Mal gebrochen wird. Das Brechungsgesetz wird daher an jedem
Prisma zweimal angewendet:
2211
sinsinsinsin βαβα ⋅=⋅= nundn
n = Brechungsindex
Werden die geometrischen Zusammenhänge für die Winkelbeziehungen der Dreiecksflächen
eines Prismas berücksichtigt, so gilt bei kleinen Winkeln mit der Vereinfachung
α
α
≈
sin
und damit
11
βα ⋅≈ n
als Strahlablenkung δ am Prisma:
γ
δ
⋅
−
≈
)1(n δ = Ablenkungswinkel, γ = Prismenwinkel
Der exakte Zusammenhang ist nichtlinear. Der Vorteil der Vereinfachung ist, dass der
Ablenkungswinkel δ unabhängig vom Einfallswinkel α
1
ist. Exakt kann die Strahlablenkung δ
über eine Taylor-Reihe, je nach Zahl der Glieder, exakt berechnet oder nur approximiert
werden:
+−+−⋅−=⇒⋅−= ...
!7!5!3
)1(sin)1(
753
γγγ
γδγδ nn
Das Rotationsflexprisma entspricht im Aufbau einem sogenannten Drehkeilpaar, das für
optische Justageaufgaben üblicherweise eingesetzt wird. Innerhalb einer kreisförmigen
Aktionsfläche kann jeder Punkt bzw. jede Lichtablenkung stufenlos eingestellt werden [8.6,
HAFERKORN, 2003].
Beim Rotationsflexprisma gibt es zwei Sonderfälle der Positionierung:
Bei paralleler Ausrichtung der geneigten Prismenflächen tritt keine Lichtablenkung auf,
sondern das Lichtbündel wird nur parallelversetzt, ähnlich dem Durchstrahlen einer geneigten
Glasplatte. Dieser erste Sonderfall der Prismenorientierung ist bemerkenswert, da bei einer
Bewegung beider Prismen mit gleicher Geschwindigkeit und gleichem Drehsinn keine
optische Ablenkung des Strahlenbündels auftritt (unendlich viele Rotationsstellungen der
Rotationsflexprismen bei parallelen Prismenebenen-Normalen), obwohl die Prismenkörper
sich gut sichtbar für den Nutzer drehen. Dadurch kann selbst bei stehendem Fahrzeug die
lichttechnische Gesetzgebung erfüllt werden, obwohl die Prismendynamik gut für den
Fahrzeugbesitzer oder dessen Nachbarn sichtbar gemacht werden kann.
S
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180
Der zweite Sonderfall besteht in der Orientierung der Prismenkörper derart, dass die Prismen-
basen benachbart sind. In dieser Prismenstellung wird das Strahlenbündel maximal in
Richtung der Prismenbasis abgelenkt. Werden auch hier die Prismen mit gleicher Geschwin-
digkeit und Drehsinn bewegt, so wird der maximale Aktionsradius der Aktionsfläche
abgefahren. Mit den hier ausgewählten Prismenwinkeln von 15° ist dabei ein dynamisches
Kurvenlicht von horizontal ca. +/-15° und eine Leuchtweitenregelung von vertikal ca. +/-15°
möglich.
Der große optische Verstellbereich des Rotationsflexprismas in jede beliebige Richtung der
Aktionsfläche ermöglicht den Verzicht auf die horizontale und die vertikale Scheinwerfer-
grundeinstellung, sodass der Scheinwerfer direkt auf Block in ein Scheinwerfergehäuse
geschraubt werden kann.
Die maximale Ablenkung δ
max
(= maximaler Aktionsradius der Aktionsfläche) des Strahlen-
bündels lässt sich mit der folgenden Formel exakt berechnen:
(
)
°=°⋅°⋅−⋅=⋅⋅−⋅= 7,1490sin15)149,1(2sin12
max
αγδ n
Dabei liegen folgende Daten zugrunde: 2 Prismen, Brechungsindex n = 1,49 (PMMA),
Einzelprismenwinkel von 15°, Gesamtprismenwinkel von 30°, Orientierung der Prismenvek-
toren jeweils 90° zu einer Bezugsfläche. Die Prismenbasen sind benachbart, sowie fluchtend
und die beiden Prismenbasennormalen weisen eine Vektorkomponente senkrecht zur opti-
schen Achse auf, sie sind geneigt und liegen zusammen mit der optischen Achse in einer
Ebene. Für die Prismenwinkellage gilt: sin 90° = 1 (maximale Ablenkung) und sin 0° = sin
180° = 0 (Nullstellung = planparallele Platte). Der Winkel α bezieht sich dabei auf eine
gemeinsame Referenzebene, z.B. eine vertikale Ebene, welche die optische Achse umfasst.
Die Prismenwinkelabhängigkeit der Lichtablenkung ist nichtlinear. Sie kann folgendermaßen
beschrieben werden [8.6, HAFERKORN, 2003] bzw. [8.6, LITFIN, 2001]:
1
'
1
sin
1
sin εε
=
'
12
εγε −=
2
'
2
sinsin εε n=
γεεδ −−−=
'
21
Der Ablenkwinkel δ und des Ausfallswinkels ε
2
in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ε
1
und
des Prismenwinkels γ ist den Abbildungen 5.35 aufgetragen.
S
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181
Prisma mit Gamma =
65° (!) Prismenwinkel, n = 1,65
Prisma mit Gamma =
80° (!) Prismenwinkel, n = 1,333
Prisma mit Gamma =
70° (!) Prismenwinkel, n = 1,5028
Prisma mit Gamma =
60° Prismenwinkel, n = 1,65
Prisma mit Gamma =
60° Prismenwinkel, n = 1,333
Prisma mit Gamma =
60° Prismenwinkel, n = 1,5028
S
YNTHESE
182
Prisma mit Gamma =
40° Prismenwinkel, n = 1,65
Prisma mit Gamma =
40° Prismenwinkel, n = 1,333
Prisma mit Gamma =
40° Prismenwinkel, n = 1,5028
Prisma mit Gamma =
20° Prismenwinkel, n = 1,65
Prisma mit Gamma =
20° Prismenwinkel, n = 1,333
Prisma mit Gamma =
20° Prismenwinkel, n = 1,5028
S
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183
Abbildung 5.35: Ablenkwinkel δ und Ausfallswinkel ε
2
über Einfallswinkel ε
1
, jeweils zum Lot gemessen, in Abhängigkeit vom Prismen-
winkel γ
Die Anwendung der Nichtlinearität des Ablenkwinkels δ kann in einem Kippprisma erfolgen, das für die optische LWR-Regelung
eingesetzt wird. Hierzu ist ein Prisma mit festem Prismenwinkel γ erforderlich, das um eine horizontale Achse gekippt wird. Da der
Ablenkwinkel δ vom Einfallswinkel ε
1
abhängig ist, ist dieser Effekt für eine optische LWR einsetzbar. Dabei ist zu beachten, Abbil-
dung 5.35, dass der Kippwinkel β = f(δ; ε
1
; n) nichtlinear angesteuert werden muss, damit die gewünschte optische Soll-Ablenkung δ
erzielt wird. Gleichzeitig darf der Auslenkwinkel ε
2
nicht zu groß (<70-75°) [8.6, HAFERKORN, 2003; 8.6, HECHT, 2001, S.181f]
werden, da sonst die Fresnel´schen Reflexionen innerhalb des Prismas zu hoch werden. Der Prismenwinkel γ des Kippprismas soll
möglichst klein sein, damit dieses wenig Bauraum im Scheinwerfer benötigt. Das Kippprisma kann nur für die LWR eingesetzt werden,
da der nichtlineare Ablenkeffekt für das dynamische Kurvenlicht nicht ausreichend groß ist. Die für das Kippprisma nutzbaren Funkti-
onsbereiche sind in den Diagrammen der Abbildung 5.35 mit gestrichelt gezeichneten Rechtecken dargestellt, wobei dessen Kanten die
Grenzen des nutzbaren Funktionsbereichs darstellen. Aus den Teilabbildungen kann abgelesen werden, dass mit größer werdendem
Brechungsindex n und Prismenwinkel γ eine stärkere Abhängigkeit des Ablenkwinkels δ vom Einfallswinkel ε
1
auftritt.
Prisma mit Gamma =
10° Prismenwinkel, n = 1,65
Prisma mit Gamma =
10° Prismenwinkel, n = 1,333
Prisma mit Gamma =
10° Prismenwinkel, n = 1,5028
184 S
YNTHESE
Limitierend sind dabei die Fresnel`schen Reflexionen, insbesondere beim Auslenkwinkel ε
2
und der maximal mögliche Prismenwinkel γ des Kippprismas. Ein Prismenwinkel γ zwischen
20° und 40°, z.B. 30° bei einem Brechungsindex von n = 1,65 stellt ein Optimum für das
maximal nutzbare Intervall des Ablenkwinkels δ in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ε
1
dar.
Die Dispersion am Kippprisma ist dabei noch zu untersuchen. Im Gegensatz zum Rotati-
onsflexprisma kann von einem horizontalen Aufheben der Dispersion nicht ausgegangen
werden. Die Dispersion kann zu einem größeren Farbsaum an der Hell-Dunkel-Grenze
führen.
Nach dem kurzen Exkurs zum Kippprisma (horizontale, senkrecht zur optischen Achse
stehende Kippachse), soll nur das Rotationsflexprisma (horizontale, parallel zur optischen
Achse stehende Rotationsachse) weiter beschrieben und diskutiert werden.
Für die Ansteuerungsalgorithmen, die Verfahrgeschwindigkeit und die Kurvenscharen der
Ansteuerung der Rotationsflexprismen und deren Berechnung wird auf die Diplomarbeit von
Koch [8.7, KOCH, 2005] verwiesen. Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass die
absolute Verfahrgeschwindigkeit der Rotationsflexprismen nicht im gesamten Aktionsbereich
konstant ist. Das liegt daran, dass die maximalen relativen Verfahrgeschwindigkeiten der
beiden Rotationsflexprismen durch deren Schrittmotoren und die Getriebeübersetzung
begrenzt sind. Da das Verhältnis der Verfahrgeschwindigkeiten relativ zueinander durch die
geometrischen Anforderungen (Hebelverhältnisse und deren Winkelstellungen zueinander)
vorgegeben sind, treten lokale Minima in der Topologie der Verfahrgeschwindigkeiten auf,
die in Abbildung 5.32 dargestellt sind.
Wie Abbildung 5.32 zeigt, sinkt die absolute Verfahrgeschwindigkeit des Rotationsflexpris-
mas nahe dem Ursprung ab, da für eine geringe Absolutverfahrbewegung relativ hohe
Verfahrgeschwindigkeiten (diese sind physikalisch begrenzt) der einzelnen Rotationsflex-
prismen notwendig sind. Die beiden kleineren Ringe nahe der vertikalen Symmetrieachse sind
die Bereiche, in der eines der beiden Rotationsflexprismen eine Bewegungsrichtungsumkehr
durchläuft, wodurch die Absolutverfahrgeschwindigkeit des Strahlenbündels ebenfalls etwas
absinkt.
Eine Konsequenz des relativen Absinken der absoluten Verfahrgeschwindigkeit liegt in der
Nutzung von Teilbereichen innerhalb des Aktionsbereichs des Rotationsflexprismas, siehe
Abbildung 5.30 bzw. Abbildung 5.33. Dadurch können die Bereiche mit minimaler absoluter
Verfahrgeschwindigkeit weitestgehend vermieden werden. Das ist möglich, da für den
vertikalen Verstellbereich eines Scheinwerfers nur ca. 6-8° erforderlich sind. Um den
markierten Bereich in Abbildung 5.30 vollständig (insbesondere für das dynamische Kurven-
licht) nutzen zu können, werden die Prismenwinkel des Rotationsflexprismas so vergrößert,
dass der Gesamtaktionsradius größer ist als der tatsächlich benötigte horizontale Verstellbe-
reich des dynamischen Kurvenlichts. So wird ein seitlicher Beschnitt des horizontalen
Verstellbereichs des dynamischen Kurvenlichts vermieden.
S
YNTHESE
185
Die lichttechnische Auslegung, die lichttechnischen Herausforderungen und deren Korrek-
turmaßnahmen werden in Kapitel 5.6.5 genauer dargestellt.
5.6.4 Konstruktiver Aufbau
Neben dem Rotationsflexprisma, siehe Kapitel 5.6.1, und dem Kippprisma, siehe Kapitel
5.6.3, gibt es noch die Bauformen des Halbzylinder-, des Kugelabschnitts- und als Mischform
der vorhergehenden Flexprisma-Varianten die Bauform des Tonnen-Flexprismas. Neue, in
optischen Systemen eher unübliche Materialien ermöglichen weitere Bauformen des Flexpris-
mas.
Die Flexprismen sind in der Schutzrechtsveröffentlichung, [8.8, KAUSCHKE, 2003-4]
beschrieben.
Beim Rotationsflexprisma [8.7, BERHEIDE, 2004; 8.7, KOCH, 2005] werden die zwei
Rotationsprismen mit konstantem Prismenwinkel um die optische Achse rotiert. Bei den
nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird der resultierende Prismenwinkel des
Gesamtprismas variiert. Dabei sind fast ausschließlich die äußeren Prismenflächen optisch
aktiv, die für die gewünschte Strahlbündelablenkung sorgen.
Beim Halbzylinderprisma bzw. Zylinderabschnittsprisma und dessen Gegenprisma der
Zylinderwanne rotieren die beiden Prismen um eine gemeinsame, vertikale Drehachse, die
Mittelachse des Zylinders. Damit kann der geringe Luftspalt zwischen den Optikkörpern
konstant gehalten werden, der nur eine leichte Aufweitung des Strahlenbündels bewirkt (vgl.
Zylinderlinse und Zylinderwannen-Gegenstück). Durch die Gelenkpaarung Halbzylinder und
Zylinderwanne ist nur die Drehung um eine Achse möglich, sodass diese Flexprismaanord-
nung sich insbesondere für das dynamische Kurvenlicht eignet.
Beim Kugelabschnittprisma und dessen Gegenprisma der Kugelpfanne können die beiden
Prismen gegeneinander um zwei senkrecht stehende Achsen gedreht und gekippt werden. Für
diese Freiheitsgrade ist eine kardanische Aufhängung wenigstens eines Prismas erforderlich.
Der Luftspalt zwischen Kugelabschnitt und Kugelpfanne wird auch hier konstant gehalten,
sodass das Strahlenbündel nur leicht geweitet bzw. gestaucht wird, sich in seiner Strahlorien-
tierung aber nicht ändert. Nur die äußeren, meist ebenen Flächen des Kugelabschnitts und der
Kugelpfanne sind optisch aktiv. Optional können diese mit einer Vorsatzoptik, Prismen oder
einer optischen (Freiform-) Krümmung versehen werden.
Das Tonnenprisma ist eine Mischform (Hybrid) aus Halbzylinder-Flexprisma und Kugelab-
schnitts-Flexprisma. Hierbei ist ebenfalls eine kardanische Aufhängung erforderlich, jedoch
schneiden sich in diesem Fall die Drehachsen nicht mehr. Diese sind windschief.
Neben den Flexprismen aus Optikkörpern mit festem Aggregatzustand gibt es noch Flexpris-
men, die mit einem flüssigen, gallert- oder gelartigen oder einem gasförmigen Medium mit
einem höheren Brechungsindex als die umgebende Luft gefüllt sein können. Hierzu ist eine
S
YNTHESE
186
elastische, optisch inaktive Hülle erforderlich oder das Volumen muss über Dichtungen
abgeschlossen sein. Der Aufbau eines solchen Flüssigkeits-Flexprismas wird in Kapitel 5.6.2
beschrieben.
Nähere Details zum Aufbau des Rotationsflexprismas, der Motor-Getriebe-Ansteuerung und
Getriebeübersetzung, der Ansteuerkarte und der Prismenpositionserfassung ist der Diplomar-
beit von Koch zu entnehmen [8.7, KOCH, 2005].
5.6.5 Lichttechnische Leistungsfähigkeit Flexprisma
Wie bei jedem Optikkörper in einem Strahlengang treten auch an den Optikkörpern des
Flexprismas Lichtstromverluste durch Transmissionsverluste im Prismenmaterial und durch
Fresnel’sche Reflexionen an den Grenzflächen der Prismenkörper auf. Das führt zu einer
Reduktion des nutzbaren Gesamtlichtstroms des optischen Systems. Messungen des Gradien-
ten der Lichtverteilung haben gezeigt, dass dieser in seiner Steigung nur geringfügig abge-
schwächt wird. Zu beobachten ist eine leichte Anhebung der Blendbeleuchtungsstärke um ca.
10 % durch Streulicht an den Grenzflächen des Flexprismas und eine Reduktion der maxima-
len Beleuchtungsstärke um ca. 25 %. Die Beleuchtungsstärke sinkt in den Randbereichen und
bei einem weiten Schwenken der Lichtverteilung stärker ab, da Lichtstromverluste an den
künstlich aufgerauhten senkrechten Flanken der Fresnelprismen (auch der Prismenkeile)
auftreten. Eine Abhilfemaßnahme für die Lichtstromverluste ist die Minimierung der Zahl der
optischen Grenzflächen des optischen Systems bzw. der Einsatz von Anti-Reflexions-
beschichteten Optikkörpern. Die Reduktion der optischen Grenzflächen kann durch die
Kombination aus Projektionslinse und erstem Rotationsprisma erfolgen, wobei hierzu ein
neuer Freiform-Rotations-Linsenprismen-Verbund berechnet werden muss. Die scharfe
Abbildung der Feldblenden-Ebene des Projektionsmoduls durch den Linsenprismen-Verbund
muss dabei in allen Rotationsstellungen sichergestellt werden.
Messungen der Leuchtdichte aus der Richtung des entgegenkommenden Fahrzeugs zeigen,
dass an den Kanten des Fresnel-Prismas Leuchtdichtesprünge auftreten, die zu einer höheren
Blendbeleuchtungsstärke führen. Die senkrechten Flanken des Fresnel-Prismas verursachen
durch Totalreflexion Streulicht, das als „Streulichtfahne“ zur Eigenblendung des Fahrers bei
Nebel führen kann. Ursache dafür ist der nicht parallele Strahlengang der Lichtstärkevertei-
lung des Projektionsmoduls nach der Linse, der das Flexprisma durchstrahlt. Da die relative
Orientierung des Fresnel-Prismas im Raum und damit auch im Strahlengang des Projektions-
moduls sich ändert, kann eine Ausrichtung der Flanken des Fresnelprismas an der Hauptab-
strahlrichtung des Projektionsmoduls im jeweiligen Strahlengang-Bereich nur zu einer
geringen Verbesserung der Streulichtfahne führen. Der Einsatz von Optikkörpern mit
Planflächen oder nur in äußeren Bereichen gestuften Fresnel-Prismen wurde als größeres
Verbesserungspotenzial identifiziert.
Weitere Effekte des Rotationsflexprismas bestehen in einer leichten Verkippung der Gesamt-
lichtverteilung des Projektionsmoduls um max. ca. 2° und bei großen Ablenkungen der
S
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187
Lichtverteilung in vertikaler Richtung eine Wölbung der Hell-Dunkel-Grenze der Lichtvertei-
lung. Die Wölbung der Lichtverteilung kann eingegrenzt werden, wenn der Leuchtweitebe-
reich auf das bei Scheinwerfern übliche Maß beschränkt wird. Die Verkippung der Lichtver-
teilung könnte theoretisch durch eine Korrektur-Zwischenscheibe kompensiert werden [8.2,
RODENKIRCHEN, 2005]. Diese hätte allerdings den Nachteil, dass diese nur für eine
Rotationsstellung optimiert werden könnte und zu zusätzlichen Lichtstromverlusten an den
Grenzflächen führen würde. Die Korrektur nur einer Planfläche eines Rotationsflexprismas
hätte zur Folge, dass die lichttechnische Korrektur (vgl. Hebelanalogie) an den „lichttechni-
schen Hebel“ dieses Rotationsflexprismas in dessen relativer Orientierung fest gekoppelt ist
und somit mit gleicher Winkelgeschwindigkeit dieses Rotationsflexprismas mitbewegt wird.
Ursache für die Wölbung der Lichtverteilung und die leichte Verkippung der Lichtverteilung
ist der räumliche Abstand zwischen der ersten wirksamen, geneigten Prismengrenzfläche und
der zweiten wirksamen, geneigten Prismengrenzfläche am Ende des lichttechnischen Durch-
laufs des Flexprismas. Da die Lichtstrahlen beim Auftreffen auf das Rotationsflexprisma nicht
parallel sondern divergent ausgerichtet sind, hat das zur Folge, dass die Lichtstrahlen eine
unterschiedliche Wegstrecke im optischen dichteren Rotationsflexprisma durchlaufen, sodass
diese unterschiedlich stark abgelenkt werden, insbesondere die Randstrahlen der Lichtvertei-
lung sind davon betroffen.
Die zu erwartende Dispersion an Prismen, bedingt durch die Wellenlängenabhängigkeit der
Brechkraft von Glas und insbesondere von Kunststoffen (vgl. Abbe-Zahl), tritt auch beim
Flexprisma auf. Jedoch werden die Dispersionseffekte durch die beiden Rotationsflexprismen
weitestgehend kompensiert, sodass die spektrale Auftrennung an der Hell-Dunkel-Grenze sich
mit anderen Bereichen der Lichtverteilung überlagert. Dadurch ist der Farbsaum des
Flexprismas vergleichbar mit dem nicht korrigierter Projektionsmodule.
Bei der Bauform des Kippprismas, des Halbzylinder-, Halbkugel- und Halbtonnen-
Flexprismas sind die Fresnel’schen Reflexionen zu beachten, da hier äußere (Kippprisma)
oder interne optische Grenzflächen mit Ihren örtlichen Oberflächennormalen relativ zum
Strahlengang teilweise relativ große Winkel einnehmen, wodurch die Fresnel’sche Reflexio-
nen verstärkt auftreten. Teilweise kann dieser Effekt bis zur Totalreflexion erhöht werden. In
Lichtleitern findet die Totalreflexion Anwendung. Wird der Strahlengang durch Abarten
dieser Prismen in seiner Ausrichtung über Totalreflexion umgelenkt, so treten dort keine
Lichtstromverluste auf, wenn der lichttechnische Grenzwinkel relativ zur Oberflächennorma-
len für alle Strahlen des Strahlenbündels überschritten bleibt.
In Tabelle 5.20 werden die lichttechnischen Kenngrößen des Rotationsflexprismas in zwei
verschiedenen Prismenkonfigurationen miteinander verglichen.
Aus Tabelle 5.20 ist ersichtlich, dass die zweite Optikkörper-Kombination mit zwei Planflä-
chen der Prismenkörper beim Rotationsflexprisma erhöhte Beleuchtungsstärkewerte ermög-
licht. Das liegt an den geringeren Streulichtverlusten, da hierbei keine senkrechte Kanten mit,
S
YNTHESE
188
fertigungstechnisch bedingten, etwas verrundeten Fresnelzahn-„Tälern“ und etwas verrunde-
ten Fresnelzahn-„Spitzen“ in den Planflächen der Rotationsflexprismen enthalten sind.
Tabelle 5.20: Lichttechnische Leistungsfähigkeit des Rotationsflexprisma
Rotationsflexprisma
(I)
Rotationsflexprisma
(II)
Veränderung
(I) vs. (II)
Prismenkeile Ein Planflächen- und ein
Fresnel-Prisma
Zwei Planflächen-
Rotationsprismen
Diplomarbeiten von: [8.7, BERHEIDE, 2004] [8.7, KOCH, 2005]
Lampe D2S, 35 W D2S, 35 W 0 %
Maximaler Lichtstrom (LB) 0° 703 lm 1.088 lm (+54,8 %)
Maximaler Lichtstrom (LB) +15° 671 lm 1.081 lm (h+14°,v+4°) (+61,1 %)
E
max
der Lichtverteilung (LB) 0° 58,6 lx 73,7 lx +25,7 %
E
max
der Lichtverteilung (LB)+15°
51,7 lx 66,7 lx (h+14°,v+4°) +29 %
Schärfe der HDG
in etwa identisch mit
Projektionsmodul
identisch mit Projekti-
onsmodul (gemessen
nach AK 31 [8.3,
POLLACK, 1998])
0 %
Streulicht etwas erhöht durch
Fresnel-Zahnscheibe
gering erhöht durch
Prismenkörper -10 %
Wirkungsgrad-Gesamtsystem 68%(+15°) bis 78% (0°) 70%(+14°) bis 75%(0°)
+/- 0 %
Bauraum ca. (h x b x t) 155 x 130 x 200 mm³ 0 %
Die starken Lichtstromzuwächse sind in Realität deutlich geringer, da der Messbereich der
Lichtverteilung im zweiten Fall auf +/-50° horizontal erweitert wurde. Daher sind diese
eingeklammert. Vorteilhaft ist der Zuwachs in den maximalen Beleuchtungsstärken, je nach
Schwenkwinkel um bis zu 29%. Die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze bleibt unverändert.
Diese wurde bei [8.7, KOCH, 2005] nach dem AK31-Verfahren [8.3, POLLACK, 1998]
nachgemessen. Das Streulicht konnte weiter um ca. 10% reduziert werden. Dennoch ist dieses
um ca. 10% gegenüber einem Projektionsmodul erhöht. Eine leichte LSV-Rotation und eine
Wölbung der Lichtverteilung bei sehr großen vertikalen Ablenkungswinkeln ist zu beobach-
ten. Für die Zukunft ist eine weitere Erhöhung der Aktivwerte (E
max
, 75R, 50R, 50V, u.a.) und
eine Erhöhung des Wirkungsgrades anzustreben. Das kann über eine Entspiegelung der
Prismen z.B. erfolgen. Diese Entspiegelung wäre auch für eine Reduktion der Streulichtver-
luste vorteilhaft.
Zusammengefasst ist das Flexprisma ein attraktives optisches System, das keinen zusätzlichen
Schwenkraum benötigt, ein völlig neues Design ermöglicht und mit unterschiedlichen
Scheinwerfersystemen (z.B. Projektion, Reflexion) kombiniert werden kann.
S
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189
5.7 Funktionsanalyse der Hauptkonzepte
Die in Kapitel 5.1 bis 5.6 vorgestellten aktive Scheinwerfer Konzepte, d.h. des LCoS-
Scheinwerfers, des DMD-Scheinwerfers, des AMD-Scheinwerfers, des Scannenden Schein-
werfers und des Flexprismas unterscheiden sich in der Art und Weise ihrer Beeinflussung der
Lichtverteilung.
Die Projektoren bilden ein variables, räumlich aufgelöstes „Lichtventil“, das in Transmission
oder Reflexion arbeitet und über eine Abbildungsoptik auf eine Straße bzw. eine Leinwand
abgebildet wird. Mit einer Einkopplungsoptik wird dieses Lichtventil möglichst nahe der
gewünschten Gesamtlichtverteilung beleuchtet, damit die Lichtstromverluste an dem Licht-
ventil minimiert werden können. Über eine Mitteloptik werden die Strahlengänge des
Einkoppelstrahlenganges und des Auskoppelstrahlenganges aufeinander angepasst, d.h. das
Etendué und dessen Steigerung von der Lichtquelle über das Lichtventil und die Abbildungs-
optik auf die Straße wird minimiert, damit die Größe der optischen Elemente und damit die
Kosten des optischen Systems minimiert werden können. Zusammenfassend lassen sich die
Projektoren den subtraktiven „Lichtverteilungs-Formern“ zuordnen, da das DMD-Array, das
LCD-Array und das LCoS-Array jeweils den Gesamtlichtstrom je nach gewünschter Lichtver-
teilung begrenzen. Begrenzende Faktoren für die subtraktiv erzeugten Lichtverteilungen sind
der maximale Einkopplungslichtstrom und der Wirkungsgrad des „Lichtventils“ sowie der
abbildenden Optik des Auskopplungsstrahlenganges. Die Leuchtdichte auf dem Lichtventil
muss dabei lokal maximal sein, wodurch die thermischen Anforderungen an das Lichtventil
hoch sind. Mit einer lokal konzentrierten Leuchtdichte kann eine hohe Lichtstärke des
Projektors durch eine kompakte Abbildungsoptik erzielt werden. Voraussetzung für eine hohe
Leuchtdichte auf dem Lichtventil ist eine hohe Leuchtdichte der Lichtquelle, die über einen
möglichst günstigen, d.h. kleinen Abbildungsmaßstab auf das Lichtventil abgebildet wird.
Hierzu ist eine geringe räumliche Entfernung zwischen Lichtquelle und Lichtventil wün-
schenswert, vgl. [8.2, TESCHKE, 2005]. Die Einkopplungsoptik muss auch hier das Etendué
des Strahlenbündels möglichst klein „konservieren“, damit die jeweiligen Abmessungen und
Kosten der optischen Elemente minimiert werden können.
Das AMD-Array nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da es auf der einen Seite räumlich
aufgelöst ist, auf der anderen Seite sowohl für die subtraktive Lichtverteilungs-Formung, als
auch für die statische Lichtverteilungs-Umformung eingesetzt werden kann. Dabei lassen sich
bei ihm Bautypen in Reflexions- und in Projektionstechnik unterscheiden, Abbildung 5.18.
Bei der Reflexions-AMD-Anordnung wird der Lichtstrom direkt auf die Straße gelenkt. Bei
der Projektions-AMD-Anordnung wird der Lichtstrom mittelbar über eine Abbildungs- bzw.
Auskoppellinse auf die Straße abgebildet. Diese Abbildungslinse kann eine sphärische, eine
asphärische oder eine Freiformlinse bzw. ein Freiformprisma sein.
Die Scannenden Scheinwerfer lassen sich ebenfalls den „Lichtverteilungs-Umformern“
zuordnen, da diese den Lichtstrom in Teilen oder den Gesamtlichtstrom über mindestens
S
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190
einen variablen, d.h. kipp- bzw. schwenkbaren Spiegel in hoher Frequenz ablenken. Die
hochfrequente Lichtstromumverteilung ist der Unterschied zur statischen bzw. quasi-
statischen Lichtstrom-Umverteilung der AMD-Scheinwerfer. In dieser Arbeit wird der
Lichtstrom des Scannenden Scheinwerfers aufgeteilt. Einer statischen Grundlichtverteilung
wird ein variables, scannendes Lichtstrombündel überlagert, das über zwei einachsig kippbare
Scannerspiegel abgelenkt wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Anforderungen an
die Scannerspiegel und deren Dynamik sowie Positionserfassung gesenkt werden können.
Dennoch sind die Anforderungen an die Leuchtdichte der Lichtquelle und deren Abbildung
bzw. Bündelung in einem kollimierten, möglichst parallelen Strahlenbündel sehr hoch. Das
Etendué ist auch hier der begrenzende Faktor für die Kollimierung des Strahlenbündels. Die
räumliche Ausdehnung der Lichtquelle, deren Leuchtdichte und die dynamischen Grenzen der
Scannerspiegel und damit die Begrenzung des maximalen Strahldurchmessers des Scanstrahl-
bündels sind die limitierenden Faktoren des scannenden Lichtstrom-Umverteilungsprinzips.
Die variablen Spiegel (Membranspiegel bzw. Adaptive Optiken [8.2, MOSIS, 2001]; [8.2,
FRAUNHOFER IPMS, 2004]) sind bei den „Lichtverteilungs-Umformern“, der Vollständig-
keit wegen ebenfalls erwähnt. Diese sind jedoch technologischen Schwierigkeiten unterwor-
fen, da der Membranspiegel starke Variationen in der Krümmung aufweisen müsste, und
dessen verspiegelte (bedampfte) Oberfläche zusätzlich elastisch ausgeführt sein sollte.
Stetigkeitssprünge sind im Membranspiegel ebenfalls nur schwer bzw. nicht zu realisieren.
Die Verformung des Membranspiegels muss möglichst definiert und vibrationsrobust
erfolgen, wobei auf eine Positionserfassung bei den Verformungsaktoren möglichst verzichtet
werden sollte, um die Kosten für das Gesamtsystem zu minimieren. Bisherige adaptive
Optiken haben Verformungsbereiche bis zu ca. 10µm-Bereich.
Das Flexprisma mit dessen verschiedenen Bauformen ist ebenfalls den Lichtumformern
zuzuordnen, allerdings ist dessen Dynamik minimal, da die Lichtstromablenkung quasi-
statisch bzw. mit relativ geringer Dynamik im Falle des dynamischen Kurvenlichts abgelenkt
werden soll. Ein weiterer Unterschied zum scannenden Scheinwerfer und dem Membranspie-
gel besteht darin, dass hier die Gesamtlichtverteilung über das Flexprisma abgelenkt wird.
Anordnungen mit mehreren Flexprismen, insbesondere in Kombination mit LEDs bzw. LED-
Arrays sind ebenfalls vorteilhaft. Der Hauptunterschied zum scannenden Scheinwerfer und
zum Membranspiegel besteht in der transmittiven, variablen Lichtstromlenkung. Diese wird
durch einen variablen Prismenwinkel erzielt, der ein- oder zweiachsig variiert werden kann.
Begrenzender Faktor beim Flexprisma sind die Lichtstromverluste an den optischen Grenzflä-
chen des variablen Flexprisma-Systems.
Bei der Funktionsstruktur der vier Hauptkonzepte, LCoS-, DMD-, AMD- und Scannender
Scheinwerfer, und dem Nebenkonzept, Flexprisma, lassen sich folgende Gemeinsamkeiten
und Unterschiede zusammenfassen, siehe Abbildungen 5.1; 5.15; 5.23; 5.29: Nach der
Lichterzeugung wird außer beim Flexprisma eine Lichtstrom formende Einkopplungoptik
angegliedert, die den Lichtstrom sammelt und bündelt. In der Mitteloptik unterscheiden sich
die vier Hauptkonzepte, in dem die subtraktiven Lichtverteilungs-Formungs-Systeme, das
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191
LCoS- , das DMD- und in Teilen das AMD-Array als räumliche „Lichtventile“ sich anschlie-
ßen. Die Auskoppeloptik ist beim LCoS-, beim DMD- und zum Teil beim AMD-
Scheinwerfer durch eine das räumliche „Lichtventil“ abbildende Optik gekennzeichnet. Im
Unterschied dazu haben der scannende Scheinwerfer und das Flexprisma die Gemeinsamkeit
von zwei lichtstromumformenden Teilmodulen, die jeweils in einer räumlichen Achse den
Lichtstrom umverteilen. Der Unterschied zwischen dem Scannenden Scheinwerfer und dem
Flexprisma besteht darin, dass der Scannende Scheinwerfer einen hochdynamischen Licht-
strom-Umformer besitzt und nur Teile der Lichtverteilung dynamisch beeinflusst, während
das Flexprisma statisch, quasi-statisch bzw. in geringer Dynamik die Gesamtlichtverteilung in
horizontaler und zum Teil auch vertikaler Richtung ablenkt. Beide Systeme sind sehr
energieeffizient, da sie immer denselben Energiestrom auf die Straße lenken. Eine Besonder-
heit des Scannenden Scheinwerfers besteht in der separat vorbeigeführten Grundlichtvertei-
lung, Abbildung 5.28, welche den Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Dynamik-
Anforderungen reduziert. Die weiteren Hauptkonzepte, LCoS-, DMD- und AMD-
Scheinwerfer können ebenfalls mit einer Grundlichtverteilung ausgestattet werden, wie in
Abbildung 5.9 dargestellt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der ersten beiden subtraktiven
Lichtverteilungs-Former erhöht wird, da kein Element mit einem begrenzten Flächennut-
zungsgrad im Strahlengang des optischen Systems zwischengeschaltet wird. Der gleiche
Vorteil kommt auch beim AMD-Scheinwerfer zur Anwendung, da auch hier Lücken zwi-
schen den einzelnen AMD-Spiegeln den Flächennutzungsgrad des AMD-Arrays reduzieren.
Vorteilhaft ist beim AMD-Array dessen Lichtstrom-Umverteilung, welche die Gesamtener-
giebilanz unabhängig von der Art der erzeugten Lichtverteilung auf der Straße gestaltet (z.B.
kein Unterschied wie bei Projektionsmodulen mit Blendengruppen zwischen Fernlicht (hoher
Wirkungsgrad) und Abblendlicht (geringerer Wirkungsgrad)).
Die Eigenschaften der vier Hauptkonzepte, LCoS-Scheinwerfer, DMD-Scheinwerfer, AMD-
Scheinwerfer, Scannender Scheinwerfer (Membranspiegel) und dem Nebenkonzept Flexpris-
ma sind in der Tabelle 5.21, ergänzt durch deren Abarten, verwandte Anwendungen, Licht-
former, Grundlichtverteilung, Prinzipien, Lichtquelle, Prototypenstatus, Gesamturteil sowie
Vor- und Nachteile, zusammengefasst.
S
YNTHESE
192
Tabelle 5.21: Übersicht der Haupt- und Nebenkonzepte aktiver Scheinwerfer, deren Eigenschaften, Vor- und Nachteile
Art: 1.Hauptkonzept 2. Hauptkonzept 3. Hauptkonzept 4. Hauptkonzept Nebenkonzept
Bezeichnung
/ Kapitel
LCoS-Scheinwerfer
Kapitel 5.2
DMD-Scheinwerfer
Kapitel 5.3
AMD-Scheinwerfer
Kapitel 5.4
Scannender Scheinwerfer
Kapitel 5.5
Flexprisma
Kapitel 5.6
Abarten LCD-Scheinwerfer,
elektrochrome Schichten,
Einsatz in Scheinwerfern
und in Leuchten,
Membranspiegel,
Totalreflexionsspiegel,
Scannender Scheinwerfer
mit / ohne Grundlicht-
verteilung, einachsig,
zweiachsig scannend,
Polygonspiegelzylinder
(einfach, mehrfach)
Rotationsflexprisma,
Halbzylinderflexprisma,
Halbkugelflexprisma,
Halbtonnenflexprisma,
Kippflexprisma
verwandte
Anwen-
dungen der
Technologie
Head-up-Displays,
Video-Projektoren, TV-
Rückprojektoren
Head-up-Displays,
Video-Projektoren,
TV-Rückprojektoren
Adaptive Optics, Weltraum-
teleskope, Laser-
Materialbearbeitung und
optische Satelitten- und
optisch terrestische
Nahbereichs-Nachrichten-
übertragung, optische
Lichtleiter-Relais-Stationen
Barcode-Scanner,
Laserdrucker, Fotopapier-
belichtung, Laser-TV,
Planetarien-Beleuchtung
u.a.
Justageprismen in
optischen Triangulations-
Entfernungsmessern
Lichtformen-
des Prinzip
subtraktiv, reflektiv
(LCoS) transmittiv(LCD)
subtraktiv, reflektiv umformend, reflektiv,
(subtraktiv)
umformend, reflektiv umformend, transmittiv
Grundlicht-
verteilung
optional (vgl. teils
parallel)
optional (vgl. teils
parallel)
optional (vgl. teils parallel) meist vorhanden (Dyna-
mik-Anforderungs-
Reduktion)
optional (meist nicht
parallel)
S
YNTHESE
193
Bezeichnung
/ Kapitel
LCoS-Scheinwerfer
Kapitel 5.2
DMD-Scheinwerfer
Kapitel 5.3
AMD-Scheinwerfer
Kapitel 5.4
Scannender Scheinwerfer
Kapitel 5.5
Flexprisma
Kapitel 5.6
Prinzipien Projektions-LCoS-
Prinzip
Projektions-DMD-
Prinzip (Reflexions-
DMD-Prinzip
(wenig sinnvoll)
Reflexions-AMD-Prinzip,
Projektions-AMD-Prinzip
Reflexions-Scanner
(Projektions-Scanner
wenig sinnvoll)
Transmissions-
Flexprisma (Totalre-
flexions-Flexprisma)
Lichtquelle UHP-Lampe (D2S kurz,
LED-Arrays)
UHP-Lampe (D2S
kurz, LED-Arrays)
UHP-Lampe (D2S kurz,
D2S, LED-Arrays)
D2S-Lampe (D2S kurz) D2S-Lampe, LED, LED-
Arrays
Prototypen-
status
(März 2005)
Tischmuster 2 fahrbare Demon-
stratoren, einer
davon in Scheinwer-
fergehäuse integriert
Prinzip-Demonstrator als
Tischmuster
1 fahrbarer Demonstrator,
1 optimierter, statischer
Demonstrator [8.2,
HOSTEIN, 2004]
1 Tischmuster mit
Ansteuerung (Rotati-
onsflexprisma)
Gesamturteil Mittel mit Potenzial Gut Mittel mit Potenzial Mittel Sehr gut
Vorteile
Flexibilität hoch hoch mittel gering gering
Dynamik hoch sehr hoch Noch gering hoch gering
Kontrast mittel hoch Noch gering mittel mittel
Lichtfkt. Aktive LSV Aktive LSV Aktive LSV LB, HB, ML, AWL, MKL dyn. BL, LWR+
Prinzip subtraktiv subtraktiv umformend umformend umformend
Nachteile
Kosten hoch hoch sehr hoch mittel gering
WKG sehr gering gering noch sehr gering mittel mittel
Szenarien Forschungsstand Zusatzscheinwerfer Forschungsstand Zusatzscheinwerfer Zusatzscheinwerfer
U
NTERSUCHUNG
DER
L
EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
194
5.8 Grob-Risikoanalyse der Hauptkonzepte
Als Risiken für die aktiven Scheinwerfer können die folgenden Punkte erwähnt werden:
Bei den aktiven Scheinwerfer-Prototypen, d.h. DMD- und LCoS-Scheinwerfer, sind UHP-
Lampen eingesetzt worden, die für den automobilen Einsatz nicht freigegeben sind. Das liegt
u.a. an ihrem relativ langsamen Zündverhalten und dem bisher fehlenden Bedarf an solchen
Hochleistungslichtquellen im Kfz-Einsatz. Das Verhalten des Lichtbogens unter Vibration ist
dabei noch genauer zu untersuchen, da durch die Abbildungsmaßstäbe ein Springen des
Lichtbogens an den Elektroden einen größeren Versatz der Ausleuchtung im optischen
System bewirkt.
Da die bisherigen Musteraufbauten noch nicht wirkungsgradoptimiert sind und teilweise die
Scheinwerfersysteme prinzipbedingt einen niedrigeren Wirkungsgrad als z.B. Projektions-
scheinwerfer haben, siehe hierzu auch Kapitel 6.5.1, ist die Leistungsaufnahme der aktiven
Scheinwerfer höher als bei konventionellen Scheinwerfersystemen. Ursache dafür ist die hohe
Flexibilität in der Gestaltung der Lichtverteilung. Selbst bei aktiven Scheinwerferprinzipien,
die den Lichtstrom umverteilen, wie der AMD-Scheinwerfer, verursachen die räumlichen
Abstände zwischen den Einzelspiegeln Lichtstromverluste und erfordern daher einen zusätzli-
chen Leistungsbedarf. Der Scannende Scheinwerfer hat einen erhöhten Energieverbrauch
gegenüber einem konventionellen Scheinwerfersystem durch seine Scannerspiegelansteue-
rung. Beim Flexprisma treten Energieverluste durch die Lichtstromverluste an den optischen
Grenzflächen auf.
Da teilweise die „Lichtventile“, wie DMD-Array, LCoS-Array und AMD-Array, zum Teil
auch der Scannende Scheinwerfer thermisch limitierte Bauteile enthalten, sind geeignete
Kühlmaßnahmen und Luftströme in diesen aktiven Scheinwerfern vorzusehen.
Die Verfügbarkeit der DMD-Arrays, LCoS-Arrays, AMD-Arrays, Polarisatoren und Strahltei-
lern muss ebenfalls geklärt werden, da die Scheinwerfer-(Umgebungs-)Anforderungen höhere
sind als die in der Unterhaltungselektronik-Branche. Die Produkthaftung bei Versagen der
„Lichtventile“ oder der UHP-Lampe muss geklärt werden, wobei durch die Redundanz der
beiden Scheinwerfer, links und rechts, immer noch ein funktionierendes Scheinwerfersystem
erhalten bleiben sollte, um ein sicheres Führen des Fahrzeugs zur nächsten Werkstatt zu
ermöglichen.
Neben den technologischen Risiken, wie Lichtquelle, Wirkungsgrad, Energieverbrauch und
Thermik bestehen noch betriebswirtschaftliche und makroökonomische Risiken, der Markt-
akzeptanz und des erhöhten Gesamtsystempreises des bisherigen aktiven Scheinwerfersys-
tems. Die Akzeptanz wird jedoch erhöht, wenn das aktive Scheinwerfersystem mit zahlrei-
chen Sensoren des Fahrzeugs zur Detektion des Fahrzeugvorfeldes gekoppelt wird, da dann
die Vorteile der aktiven Lichtfunktionen, wie Markierendes Licht und kollektive Verkehrs-
raumausleuchtung bzw. blendfreie Ausleuchtung des Verkehrsraums [8.2, ROSLAK, 2005]
U
NTERSUCHUNG
DER
L
EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
195
besonders gut eingesetzt werden können. Eine Kopplung mit dem Navigationssystem für die
Displaylichtfunktion wäre möglich, vorausgesetzt die Gesetzgebung lässt diese Lichtfunktion
zu.
Wie bereits erwähnt, muss die Gesetzgebung für aktive Scheinwerferlichtfunktionen wenigs-
tens teilweise angepasst werden. Das Fahrerspezifische Licht könnte innerhalb der bisherigen
Gesetzgebung eingesetzt werden, wenn die Minimal- und Maximalwerte der Lichtverteilung
nicht unter- bzw. überschritten werden. Dennoch sollte der lichttechnisch unerfahrene Nutzer
vor einer unbewussten Selbstgefährdung durch ungünstige Scheinwerferlichtverteilungen
bewahrt werden, indem für ihn nur physiologisch sinnvolle bzw. noch akzeptable Ausprägun-
gen der Lichtverteilung auswählbar sind.
Die Marktakzeptanz, die Wettbewerbstechnologie LED und die möglichen Einführungsszena-
rien und deren Risiken werden in Kapitel 7 zusammenfassend und im Ausblick erläutert.
5.9 Bewertung der Hauptkonzepte
Die vier Hauptkonzepte, LCoS-Scheinwerfer, DMD-Scheinwerfer, AMD-Scheinwerfer und
Scannender Scheinwerfer, sollen hier miteinander verglichen und bewertet werden. Das
Nebenkonzept Flexprisma muss von diesem Vergleich separiert werden, da es deutlich
weniger Freiheitsgrade hat die Lichtverteilung zu beeinflussen und da von ihm die gesamte
Lichtverteilung nur horizontal oder sowohl horizontal als auch vertikal als Ganzes abgelenkt
werden kann.
Neben der Bewertung der Hauptkonzepte in diesem Kapitel wird in Kapitel 6.5 eine licht-
technische Bewertung vorgenommen. In Kapitel 6.9 findet eine abschließende Gesamtbewer-
tung der aktiven Scheinwerferkonzepte statt und in Kapitel 6.10 wird deren Mehrwert kritisch
den zukünftigen, in 2006 in den Markt eingeführten AFS-Scheinwerfern gegenübergestellt.
In Tabelle 5.22 sind die wichtigsten Merkmale der Hauptkonzepte zusammengefasst. Wie aus
der Tabelle abzulesen ist, haben die Hauptkonzepte in manchen Merkmalen Gemeinsamkei-
ten. Dennoch wird durch die Merkmalskombination die Besonderheit des jeweiligen Haupt-
konzepts hervorgehoben. Ausgehend von diesen Merkmalen lässt sich durch Abstraktion von
den konkret realisierten aktiven Scheinwerfer-Varianten ein idealer Scheinwerfer theoretisch
definieren, der die Vorteile aller untersuchten aktiven Scheinwerfer-Prototypen vereint.
Dieser soll als Vergleichsbasis für die als Prototypen aufgebauten aktiven Scheinwerfer
dienen. Der ideale aktive Scheinwerfer kann als theoretische Vergleichsbasis herangezogen
werden, wobei dieser ideale aktive Scheinwerfer das technologische Optimum darstellt.
Bisher konnte dieser Scheinwerfer noch nicht aufgebaut werden, da technologische Hürden
hierzu erst überwunden werden müssen. Diese bestehen in einem Aufbau eines analogen
Mikrospiegelarrays, das große Schwenkwinkel besitzt. Gleichzeitig aber sind diese Spiegel
räumlich auf einer (Asphäre) Sphäre angeordnet, damit ein möglichst hoher Lichtstrom der
Lichtquelle und ein großer Raumwinkel des auftreffenden Strahlenbündels aufgefangen wird.
U
NTERSUCHUNG
DER
L
EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
196
Die Ansteuerung der Spiegel kann dabei sowohl statisch in beliebigen Winkelstellungen, als
auch oszillierend erfolgen. Die Positionserfassung der analogen Mikrospiegel sollte über eine
geschlossene Steuerkette erfolgen, damit die Spiegelposition auch unter Vibration und bei
Beschleunigungen sichergestellt werden kann. Die Positioniergenauigkeit der Mikrospiegel
muss mit einer Genauigkeit von mindestens +/-0,025° erfolgen, damit das resultierende
Lichtbündel eine optische, vertikale Winkelgenauigkeit von +/-0,05° aufweist. Die horizonta-
le Winkelpositioniergenauigkeit kann deutlich größer gewählt werden, da dort die Anforde-
rungen an den Lichtstärke-Gradienten innerhalb der Lichtverteilung, nahe der Hell-Dunkel-
Grenze deutlich geringer sind. Damit eine gesetzliche Zulassungsfähigkeit des idealen aktiven
Scheinwerfers nach heutigen gesetzlichen Regelungen möglich ist, sollte als Lichtquelle eine
D2S-Lampe eingesetzt werden. Alternativ kann ein ebenes LED-Array, ein sphärisches LED-
Array oder wenigstens eine Hochleistungs-LED eingesetzt werden. Ideal wäre eine Lichtquel-
le mit hoher Leuchtdichte und einem scharf begrenzten Wendelbild. Die Gesamtkosten des
idealen, sphärischen AMD-Mikrospiegelarrays und des dazu notwendigen Scheinwerfer-
Systemumfeldes sollen gering sein, damit dieses Scheinwerferprinzip eine möglichst breite
Anwendung in der Scheinwerferserie findet. Wie aus Tabelle 5.22 abzulesen ist, basieren die
LCoS- und die DMD-Scheinwerferprinzipien auf einer subtraktiven Lichtverteilungs-
erzeugung. Eine Lichtstrom-Umverteilung, wie diese bei dem AMD-, dem Scannenden und
beim idealen aktiven Scheinwerfer erfolgt, ist aus energetischen Gesichtspunkten von Vorteil,
da stets ein gleich hoher Lichtstrom für unterschiedliche Lichtverteilungen Verwendung
findet. Die analogen (analog diskreten) Stellgrößen sind den digitalen (0 oder 1) vorzuziehen,
wenn diese mindestens eine Auflösung von z.B. 256 Stufen bzw. Winkelstellungen besitzen.
Die Variabilität ist bei einer analogen Winkelstellung mit großen Schwenkspiegelwinkeln am
Größten, da dann eine Polarisierung des Lichtstroms bzw. ein Absorber als Lichtstrom„falle“
nicht mehr notwendig sind. Die Auflösung ist bei einem Spiegelarray am Höchsten. Eine z.B.
sphärische Anordnung der analogen Mikrospiegel wirkt sich positiv auf den maximal
umlenkbaren Lichtstrom aus. Die Freiheitsgrade werden als Produkt aus Auflösung (Zahl der
Mikrospiegel), Zahl der Schwenkachsen, deren wechselweise Beeinflussung durch deren
räumliche Anordnung und deren Ansteuerung gebildet. Eine statische und alternativ eine
oszillierende Ansteuerung bei, für das menschliche Auge nicht mehr auflösbarer Scanfre-
quenz, stellt den Idealzustand der Ansteuerung dar. Dieser wird beim scannenden Scheinwer-
fer erzielt. Die Positionserfassung ist beim scannenden Scheinwerfer und seinen windschiefen
Schwenkachsen mit einachsigen Freiheitsgraden bereits gut gelöst. Die Weiterentwicklung
besteht nun darin, zweiachsige Freiheitsgrade mit analogen Schwenkwinkel, vgl. AMD-
Array, mit einer zweiachsigen Winkelpositionserfassung zu kombinieren. Evtl. ist auch nur
eine einachsige Winkelpositionserfassung in vertikaler Richtung ausreichend, da dort die
Winkeltoleranzen am Geringsten sind. Die D2S-Lampe mit einem verkürzten Lichtbogen
wird bereits beim scannenden Scheinwerfer eingesetzt. Aus Kostengesichtspunkten und aus
technologischer Reife ist das DMD-Scheinwerferkonzept zu bevorzugen. Es ist zwar energe-
tisch weniger vorteilhaft, da es auf einem subtraktiven LSV-Erzeugungsprinzip basiert,
allerdings hat es auch eine der höchsten Auflösungen, eine ausgereifte Winkelpositionsan-
steuerkette und es benötigt keine Winkelpositionserfassung, da es nur digitale, bistabile
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Winkelstellungen aufweist. Dadurch kann in diesem Fall eine offene Steuerkette, wie beim
LCoS-Scheinwerfer, eingesetzt werden. Die Verlustleistung lässt sich beim DMD-
Scheinwerfer leicht vom Absorber ableiten. Der geringere Flächennutzungsgrad des DMD-
Chips im Vergleich zum LCoS-Chip ist geometrisch bedingt und kann kaum weiter optimiert
werden.
Tabelle 5.22: Vergleich der Hauptkonzepte des aktiven Scheinwerfers
Kategorien LCoS,
Kapitel 5.2
DMD,
Kapitel 5.3
AMD,
Kapitel 5.4
Scanner,
Kapitel 5.5
Idealer aktiver
Scheinwerfer
LSV-
Erzeugung
subtraktiv subtraktiv Umverteilung Umverteilung Umverteilung
Stellgrößen analog digital analog analog analog
Art der
Variabilität
Spannung, Polari-
sationsrichtung
bistabile
Winkellage
bisher noch
kleine Winkel
mittlere
Schw.-Winkel
große Schwenk-
winkel
mechanischer
Aufbau
Drehen von
Flüssigkristallen
Schwenken
von Spiegeln
Schwenken
von Spiegeln
Schwenken
von Spiegeln
Schwenken von
Spiegeln
Auflösung /
Anordnung
LCoS-Array /
Matrix, eben
angeordnet
Spiegelarray /
Matrix, eben
angeordnet
Spiegelarray /
Matrix, eben
angeordnet
ein / zwei /
wenige Spie-
gel, wind-
schief
orientiert
Spiegelarray /
Matrix, sphären-
förmig angeord-
net
Freiheits-
grad(e)
Graustufen,
räumliche
Anordnung
Spiegelstel-
lung,
räumliche
Anordnung
Spiegelstel-
lung,
räumliche
Anordnung
Scanwinkel
pro Spiegel
statische Spie-
gelstellungen,
räumliche Anord
nung bzw. Scan-
geschwindigkeit
Ansteuerung statisch, Pulswei-
ten-Modulation
statisch,
Pulsweiten-
modulation
statisch /
oszillierend
statisch /
oszillierend
statisch /
oszillierend
Positionser-
fassung der
variablen
Elemente
keine, Drehstel-
lung der Flüssig-
kristalle über an-
gelegte Spannung
keine, nur 2
digitale
Schaltstell-
ungen
keine,
elektrothermi-
sche, offene
Steuerkette
kapazitiver
Sensor mit
geschlossener
Steuerkette
geschlossene
Steuerkette mit
Sensorpositions-
erfassung
Lampe UHP UHP vgl. Tab 5.21 D2S(kurz) D2S
Kosten hoch mittel sehr hoch hoch gering
Prototypen-
stadium
Tischfunktions-
muster
fahrbarer
Prototyp
Tischprinzip-
muster
fahrbarer
Prototyp
theoretischer
Idealzustand
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DER
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198
Der hohe Kontrast des DMD-Scheinwerferprinzips ist ein weiteres wichtiges Kriterium für
den DMD-Scheinwerfer.
Zusammenfassend ist eine erste Bewertung der Hauptkonzepte bereits in der Diplomarbeit
[8.7; MÜLLER, 2004] durchgeführt worden. Dabei fand eine Bewertung nach lichttechni-
schen, technologischen, physiologischen, wirtschaftlichen und gesetzlichen Kriterien statt.
Exemplarisch und zusammenfassend werden hier die wichtigsten Ergebnisse dargestellt.
Abbildung 5.36: Zusammenfassende Bewertung des DMD-, des Scannenden und des LCoS-
Scheinwerfers nach lichttechnischen, technologischen, physiologischen, wirtschaftlichen und
gesetzlichen Kriterien in Form eines Radialdiagramms [8.7, MÜLLER, 2004]
Die Detailbewertung der drei Hauptkonzepte kann im Anhang 9.1 nachgelesen werden. Das
vierte Hauptkonzept, der AMD-Scheinwerfer, wurde in dieser Bewertung nicht berück-
sichtigt, da dieses Scheinwerferkonzept bisher nur als ein Technologie-Demonstrator realisiert
wurde. Für Abbildung 5.36 dient als Vergleichsbasis ein Vario-Xenon-System. Dieses kann
als Maßstab für die aktiven Scheinwerfersysteme angesehen werden. Nur durch den DMD-
Scheinwerfer wird dieses System physiologisch übertroffen, da der DMD-Scheinwerfer
deutlich mehr Freiheitsgrade in der Gestaltung der Lichtverteilung besitzt. In gesetzlicher
Sicht zeigt der scannende Scheinwerfer seine Vorteile, da bei ihm eine D2S(kurz) Lampe
eingesetzt werden kann. Die DMD- und LCoS-Scheinwerfer sind wirtschaftlich gut bewertet,
da sie im Prototypenstadium auf relativ kostengünstigen Großserien-Videoprojektoren ba-
sieren. Außer bei der gesetzlichen Zulassungsfähigkeit (Ursache Einsatz einer UHP-Lampe)
ist der DMD-Scheinwerfer überdurchschnittlich gut bei den 5 Kriterien bewertet. Der scann-
ende Scheinwerfer folgt fast ebenbürtig mit leichten physiologischen und wirtschaftlichen
Schwächen. Der LCoS-Scheinwerfer ist in seinem Entwicklungsstadium geringer bewertet.
Lichttechnisch
Gesetz
lich
Technologisch
Wirtschaftlich
Physiologisch
0
1
3
2
DMD-Scheinwerfer
Scannender SW
LCoS-Scheinwerfer
Vario-Xenon System
Bewertungsstufen
4
3
2
1
0
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6 Untersuchung der Leistungsfähigkeit der Prototypen
6.1 Einbindung des Scheinwerfers in das Kfz-Umfeld
Nachdem die Hauptkonzepte für aktive Scheinwerfer in ihrer Funktionsweise beschrieben und
einer ersten Bewertung unterzogen wurden, soll nun dargestellt werden, welches Scheinwer-
ferumfeld für deren Ansteuerung erforderlich ist.
6.1.1 Lichtfunktionen und deren Sensorik
6.1.1.1 Fahrerspezifisches Licht
Bei dieser Gruppe der Lichtverteilungen soll auf die Wünsche und Bedürfnisse des Fahrers
eingegangen werden. Dieser soll im Rahmen seiner Sehgewohnheiten und seines Fahrkom-
fortempfindens entscheiden können, welche Ausprägungen oder Merkmale einer Lichtvertei-
lung für ihn besonders förderlich sind.
Die gewählten Einstellungen innerhalb der Lichtverteilung könnten in Zukunft ebenfalls wie
die Sitz-, Spiegel- und Fahrkomfortmerkmale, wie Radio-, Klima-, Fahrwerks-Einstellungen
des Fahrzeugs, fahrerindividuell auf einem elektronischen Speicherplatz abgelegt sein. Sobald
der Fahrer sich dem Fahrzeug nähert, werden die Merkmale der Lichtverteilung ebenfalls
aktiviert, wie z.B. die Einstellungen der Fahrerbedien-Ergonomie-Schnittstellen. Könnten
diese gewünschten Lichtverteilungseinstellungen portabel gestaltet werden, so hätte der
Fahrer die Möglichkeit, bei vergleichbar ausgestatteten Fahrzeugen seine Lichtverteilung
wieder vorzufinden.
6.1.1.2 Straßensituationsabhängiges Licht
Seit 2003 sind die ersten Lichtverteilungen in Richtung von adaptiven Lichtverteilungen
zugelassen:
Das dynamische Kurvenlicht wird in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel, der Geschwindig-
keit und der Gierrate analog um bis zu +/-15° horizontal geschwenkt, wobei es dem Kurven-
verlauf nachgeführt wird.
Das statische Kurvenlicht ist für Kreuzungen, Abbiegungen und Kurven mit einem kleinen
Kurvenradius vorgesehen. Es wird meist als Zusatzreflektor im Scheinwerfergehäuse
integriert und wird bei Blinkerbetätigung oder großen Lenkwinkeln aktiviert.
Die AFS-Lichtfunktionalitäten, die ab 2006 zulässig sein werden, stellen einen weiteren
Schritt in Richtung situationsabhängige Lichtverteilung dar. Als Anforderungen an die
Sensorik sind bei den AFS-Lichtverteilungen neben der Überwachung der Geschwindigkeit,
der Größe und Häufigkeit der Lenkbewegungen auch die Auswertung der Umfeld- und
Vorfeldhelligkeit des Fahrzeugs sowie die Auswertung der GPS-Daten wünschenswert und
sinnvoll. Da die Datenpunkte der GPS-Karten nicht so eng abgespeichert sind, dass sie jeden
Fahrbahnverlauf erfassen würden, sind prädiktive Algorithmen [8.2, SEUBERT, 2002]
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erforderlich, die über den zukünftigen Fahrbahnverlauf Voraussagen machen können, welche
mit gewissen Wahrscheinlichkeiten behaftet sind. Diese prädiktiven Algorithmen sollten
durch weitere fahrzeugeigene Sensorik unterstützt werden, die z.B. mit einem videobasierten
Kamerasystem den Fahrbahnverlauf bis ca. 30 m [8.2, SEUBERT, 2002] vor dem Fahrzeug
erfassen können. Die Erfassung des Fahrbahnverlaufs wird bei „kooperativen“ Straßen durch
Fahrbahnmarkierungen unterstützt. Nicht „kooperative“ Straßen sind dagegen in ihrem
Verlauf schwieriger zu erfassen. Die fahrzeugeigene Sensorik sollte für das Schlechtwetter-
licht auch Aussagen über die Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche, die Witterungsbedin-
gungen, z.B. über das Scheibenwischer-Wischintervall, treffen können. Die Einschaltkriterien
der AFS-Lichtverteilungen sind der aktuellen Gesetzgebung zu entnehmen.
6.1.1.3 Berg- und Talfahrlicht, LWR+
Das Berg- und Talfahrlicht ist eine Lichtverteilung, die der Topologie des Fahrbahnverlaufs
angepasst ist. Dabei wird versucht die Lichtverteilung und deren Reichweite je nach Krüm-
mungsradius der Kuppe oder der Wanne zu maximieren, indem die Scheinwerfer in einem
über den bisherigen Schwenkbereich der Scheinwerfer-Leuchtweitenregelung hinausgehen-
den Bereich abgesenkt bzw. angehoben wird. Die bisherige fahrzeugeigene Sensorik kann
dabei nur eine geringe Aussage über das zukünftige Höhenprofil der Straße liefern. Über eine
Bildauswertung oder eine optische Triangulation könnte die Topologie der Straße ermittelt
werden. [8.2, KUHL, 2004]
6.1.1.4 Verkehrssituationsabhängiges Licht
Die kollektive Verkehrsraumausleuchtung [8.2, ROSLAK, 2005] geht über die bisher
aufgezählten Lichtverteilungen des situationsabhängigen Lichts hinaus, indem es die Licht-
verteilung auf die anderen Verkehrsteilnehmer anpasst. Dabei sind zwei Fälle zu unterschei-
den:
1. Vorausfahrende Fahrzeuge mit ähnlicher Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit:
Durch eine Anpassung der eigenen Lichtverteilung an vorausfahrende Fahrzeuge kann die
Blendung für diese reduziert werden. Dennoch stellt sich die Frage, ob dieses Ziel nicht auch
schon durch jetzt in den Markt eingeführte, automatisch sich selbst abblendende Rückspiegel
und Seitenspiegel erreicht wird.
2. Entgegenkommende Fahrzeuge mit hoher Relativgeschwindigkeit zum eigenen
Fahrzeug:
Die Fahrer der entgegenkommenden Fahrzeuge werden bisher durch die Wahl der
Lichtverteilung und deren Form der Hell-Dunkel-Grenze in ihrer Blendung begrenzt. Bei der
kollektiven Verkehrsraumausleuchtung wird das sonst beim Passieren entgegenkommender
Fahrzeuge durch deren Scheinwerferlichtverteilungen angehobene Adaptationsniveau der
Fahreraugen deutlich weniger angehoben, wodurch eine frühere Wahrnehmung der Gefähr-
dungspotenziale auf der eigenen Fahrbahn möglich ist. Der Nutzen der geringeren Adaptati-
onsleistung für den eigenen Fahrer und damit die zeitliche Homogenität der Lichtverteilung
muss dabei für den Benutzer im Begegungsverkehr deutlich werden. Dem Ziel, die Hell-
Dunkel-Grenze weiter anzuheben, um die geometrische Reichweite der Scheinwerfer weiter
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zu erhöhen, kommt die kollektive Verkehrsraumausleuchtung sehr nahe. Dazu ist es erforder-
lich, dass die Fahrbahngeometrie und die Position der entgegenkommenden Fahrzeuge erfasst
wird. Das ermöglicht einen überzeugenden Sichtweitegewinn durch eine zonal abgeblendete
Fernlichtverteilung im Idealszenario, die dem Fahrer eine dem Fernlicht vergleichbare
Lichtverteilung belässt, ohne den Gegenverkehr durch übermäßige Blendung zu gefährden.
Ähnliche Ansätze wurden von [8.2, GENTEX, 2004] untersucht. Eine Zwischenstufe könnte
es darstellen, wenn ein automatisches Umschalten zwischen den verschiedenen Lichtvertei-
lungen der AFS-Lichtfunktionen bzw. zunächst zwischen dem Abblend- und dem Fernlicht
[8.2, BMW 5er Reihe, 2005] erfolgt.
In der Phase der Markttransformation der aktiven Scheinwerfer mit einer kollektiven Ver-
kehrsraumausleuchtung könnte die einseitige Anpassung der eigenen Lichtverteilung an den
Begegnungsverkehr sowie die geringere Adaptationsleistung des Fahrers (durch die aktive
Fernlichtverteilung mit ausgespartem Gegenverkehr) für mehr Sichtweitegewinn und damit
mehr Fahrkomfort sorgen.
Sensorik für kollektive Ausleuchtung
Hauptschwierigkeit stellt dabei die Reichweite und das Auflösungsvermögen heutiger
Sensorik dar, siehe auch Kapitel 3.5. Die Sensorik hat die Aufgabe, einen breiten Erfassungs-
bereich für Kurven und gekrümmte Straßen aufzuweisen, gleichzeitig aber auch eine hohe
Auflösung des nahen und insbesondere des fernen Umfeldes zu ermöglichen, damit Objekte
in größerer Entfernung in anzuleuchtende oder auszublendende kategorisiert werden können.
Die Verarbeitung und Auswertung der Sensorsignale in Echtzeit und die Sensorfusion, d.h.
die Kombination der Erfassungs- und Auswerteergebnisse der unterschiedlichen Sensorsys-
teme stellen eine weitere Herausforderung dar. Im Falle der kollektiven Verkehrsraumaus-
leuchtung ist dabei die Unterscheidung zwischen statischer Straßenbeleuchtung und entge-
genkommenden Fahrzeugen eine Schwierigkeit: Ein erster Ansatz wäre die Detektion der
Bewegung der entgegenkommenden Scheinwerferpunkte. Haben diese eine Relativgeschwin-
digkeit relativ zum Hintergrund und erhöht sich die Distanz zweier Scheinwerferpunkte eines
Fahrzeugs voneinander, so kommt ein Fahrzeug dem eigenen entgegen. Im Falle einer
geraden Straße ist dieser Ansatz allerdings nur begrenzt tauglich, da sich die Lichtpunkte des
entgegenkommenden Fahrzeugs nur relativ gering bewegen. Bei leicht gekrümmten Straßen
erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Lichtpunkte zeitweise durch andere im Verkehrs-
raum stehende Objekte, z.B. Bäume, abgedeckt werden. Ein zweiter Ansatz besteht in der
Bestimmung der eigenen Blendbeleuchtungsstärke im Fahrzeug. Dabei wird davon ausgegan-
gen, dass der Fahrer des entgegenkommenden Fahrzeugs mit derselben Blendbeleuchtungs-
stärke geblendet wird, wie sie die Sensorik im eigenen Fahrzeug detektiert hat. Dieser Ansatz
setzt allerdings voraus, dass die LKW-, Kfz- und Motorrad-Scheinwerfer sich in ihrer
Lichtstärke nicht wesentlich unterscheiden und die Scheinwerfer des entgegenkommenden
Fahrzeugs korrekt eingestellt sind. Die Lichtstärkeunterschiede von Halogen- und Xenon-
Scheinwerfern sind dabei auch mit zu berücksichtigen. Im Falle der Kombination von
eigenem Fernlicht und entgegenkommendem Abblendlicht würde die eigene blendbeleuch-
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tungsstärkeabhängige Sensorik zu spät von Fernlicht auf Abblendlicht umschalten (da die
Sensorik das entgegenkommende Fahrzeug in größerer Entfernung lokalisiert, als es tatsäch-
lich ist), wodurch der entgegenkommende Fahrer erheblich geblendet würde. Die aufgezeig-
ten Schwächen der beiden rein lichttechnischen bzw. optischen Sensorprinzipien zeigt den
Bedarf einer Sensorfusion auf, die Fehlentscheidungen der Einzelsysteme verhindert. Die
Kombination mit RADAR- oder LIDAR-Systemen erhöht zusätzlich die Reichweite des
Systems, wodurch eine möglichst frühzeitige Reaktion der eigenen Lichtverteilung auf den
entgegenkommenden Verkehr erst möglich wird.
6.1.1.5 Markierendes Licht
Tabelle 6.2: Vergleich der Markierungslichtfunktion mit der kollektiven Verkehrsraumaus-
leuchtung
Vergleich Markierungslicht kollektive Verkehrsraumausleuchtung
Basislichtverteilung
Abblendlicht Fernlicht
Objekte kurzzeitiges Beleuchten von meist
unbeleuchteten Objekten (Pulsieren
der Beleuchtung)
Ausblenden vor allem von Augenpunkten
anderer Verkehrsteilnehmer (selbstleuch-
tende Objekte werden zuerst erkannt)
geblendete Objekte Gefährdungsobjekte Fußgänger und Radfahrer
Aktivität sowohl ober- als auch unterhalb der
HDG
nur oberhalb der Abblendlicht-HDG
(Hell-Dunkel-Grenze)
Vorteile frühere Detektion von Gefahren-
quellen, Reaktion des Fahrers darauf
Erhöhung der Nutzungsdauer des
Fernlichts außerhalb von Ortschaften,
insbesondere auf Autobahnen
Nachteil: Folgen
einer begrenzten
Sensorleistungs-
fähigkeit
keine Markierung des Gefahrenob-
jekts – Objekte werden erst im
Abblendlicht sichtbar
Blendung durch Fernlicht bzw. gefährdete
Objekte werden zu lange ausgeblendet –
Objekte werden erst (wie bisher auch) in
der Abblendlichtverteilung sichtbar
Nutzung nur in Gefährungssituationen höherer Nutzanteil des Fernlichts
Gesetzgebung zonale Lichthupenfunktion – zur
Zeit in Prüfung
bisher gesetzlich nicht zulässig, da die
Lichtwerte des Fernlichts erfüllt werden
müssen
Neben den tabellarisch aufgezeigten Unterschieden zwischen der Markierungslicht- und der
kollektiven Verkehrsraumausleuchtungsfunktion (Tabelle 6.2) besteht die Gemeinsamkeit der
beiden Lichtverteilungen in der erforderlichen frühzeitigen Detektion von Verkehrsobjekten.
Das Markierungslicht erfordert, je nach Einsatzfall, d.h. Fernzonenmarkierung und/oder breite
Vorfeldmarkierung, zusätzlich noch einen Informationsbedarf im unmittelbaren Vorfeld der
Lichtverteilung. Eine Sensorik in Abhängigkeit von der Blendbeleuchtungsstärke lässt sich
beim Markierenden Licht nicht einsetzen.
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203
6.1.1.6 Displaylicht
Die Sensoranforderungen an das Displaylicht sind gering, da fahrzeugeigene Informationen,
z.B. die des Navigationssystems, auf der Straße dargestellt werden. Eine vorfeld- und
umfeldabhängige Anpassung der Leuchtdichte und des Kontrastes der Displayinformationen
während Nachtfahrten würde den Fahrkomfort steigern und für weniger Eigenblendung durch
zu hell dargestellte Informationen sorgen.
6.1.2 Sensorik - CAN-Bus-Ansteuerung und dessen Auswertung
Aus den bisherigen Ausführungen zur Ansteuerung der aktiven Scheinwerfer-Funktionen
wird deutlich, dass die zukünftigen adaptiven Lichtverteilungen eng mit der fahrzeugeigenen
Sensorik verknüpft werden müssen und im Falle der kollektive Verkehrsraumausleuchtung
teilweise von der Ausstattung anderer Verkehrsteilnehmer abhängig ist. Daher ist es für die
Markteinführung der aktiven Scheinwerfer unabdingbar, dass auch deren Ansteuerung und die
erforderliche Sensorik weiterentwickelt werden. Diese wird in Zukunft nur teilweise zur
Standardausstattung von Fahrzeugen gehören. Daher müssen möglichst große Schnittmengen
in der gemeinsam genutzten Sensorik herausgearbeitet werden, damit zusätzliche Sensorik
und damit die Kosten auf ein absolutes Minimum beschränkt bleiben.
Bei dieser Vielzahl von Lichtfunktionen sollte der Nutzen für den Fahrer und für andere
Verkehrsteilnehmer im Vordergrund stehen. Wichtiges Entscheidungskriterium für die
Zukunft wird auch sein, inwieweit der Nutzer, in den meisten Fällen ein lichttechnischer Laie,
die Vorteile der Lichtverteilung und den damit erzielten Zugewinn an Fahrkomfort und
Fahrsicherheit wahrnimmt, damit er im Vorfeld der Nutzung, also schon bei seiner Kaufent-
scheidung bereit ist, den voraussichtlichen Aufpreis für die Zusatzausstattung zu bezahlen.
Teilweise wird heute bei der Unterscheidung zwischen Abblendlicht und dem Autobahnlicht
von dem Kunden bereits kritisiert, dass sich nur wenig an der Lichtverteilung ändert. Die
geringe Anhebung der Hell-Dunkel-Grenze in einem begrenzten Maße wird nur teilweise
wahrgenommen und geschätzt.
6.2 Aufbau eines statischen Lichtverteilungsdemonstrators
Bei dem aktiven Scheinwerfer sind zwei Entwicklungsstufen vorgesehen:
1. der statische Lichtverteilungsdemonstrator
2. die Umsetzung ins dynamische Fahrzeugumfeld
In dieser Arbeit sind statische Lichtverteilungsdemonstratoren für den LCoS-Scheinwerfer,
den DMD-Scheinwerfer, den AMD-Musteraufbau, den scannenden Scheinwerfer und das
Projektionsmodul mit Flexprisma aufgebaut worden. Statische Demonstratoren haben den
Vorteil, dass sie geringere Anforderungen an die Vibrations-, Temperatur-, Feuchtigkeits- und
Staubempfindlichkeit als im Fahrzeug erfüllen müssen. Ein höherer elektrischer Leistungsbe-
darf statischer Demonstratoren ist in diesem Umfeld noch tolerabel. Eine strikte Anpassung
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204
an gesetzliche Rahmenbedingungen war für die im Rahmen dieser Arbeit entstandenen
Scheinwerferprototypen noch nicht erforderlich. Zukünftig können diese Prototypen im
Lichtkanal der Hella KGaA eingesetzt wurden, um die vom Kunden gewünschten Lichtvertei-
lungen mit einem universellen Prototypen darzustellen und per Software flexibel ändern zu
können. Eine Anbindung an das Umfeld über CAN-Bus und mögliche Sensorsignale ist in
diesem Stadium ebenfalls noch nicht erforderlich. Tabelle 6.3 zeigt die Anforderungen an
einen statischen Lichtverteilungsdemonstrator im Vergleich zu einem aktiven Scheinwerfer
im Kfz-Einsatz.
Tabelle 6.3: Vergleich der Anforderungen zwischen dem statischen Lichtverteilungsde-
monstrator und dem aktiven Scheinwerfer
Anforderungen statischer Lichtverteilungs-
demonstrator
Aktiver Scheinwerfer im Kfz
Lichtstrom > 1.000 lm > 1.000 lm
modellierte Lichtstärkeverteilung
für ECE und SAE-Normen
ist zu erfüllen ist zu erfüllen
Kontrast 1 : 100 1 : 100
Vorneigung 0,57° (0°) 0,57°
Energieeffizienz eher untergeordnet sehr wichtig
Preis höherer möglich klein, angemessen
Schaltzyklen Mechatronik 100.000 100.000
Korrosionsschutz geringe Anforderungen Automotive Spezifikation
Betriebsspannungsbereich 12 V oder 230 V 9,0 – 17,0 V
maximale Schaltfrequenz 1 Hz 1 Hz
System Schaltzeit < 60 ms < 60 ms
Temperaturbereich Betrieb 0°C – +40°C -40°C – +85°C
max. Lagertemperatur -10°C – +50°C -40°C – +115°C
6.3 Umsetzung der Konzepte ins dynamische Fahrzeugumfeld
Bei der Überführung der Optikkonzepte in ein Fahrzeug sind an das aktive Scheinwerfersys-
tem die erhöhten Anforderungen der automotive Spezifikation zu stellen. Eine Anbindung an
das CAN-Bus-System des Fahrzeugs ist erforderlich zur Auswertung der fahrzeugeigenen
Sensorsignale. Ebenfalls sind zusätzliche Sensorsignale notwendig, welche z.B. entgegen-
kommende Fahrzeuge detektieren oder Gefahrenquellen vor der menschlichen Wahrnehmung
erfassen und auswerten können.
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Je nach Konzept und erzeugter Lichtverteilung sind bestehende gesetzliche Regelungen für
eine zukünftige Markteinführung einzuhalten bzw. sind zukünftig, gesetzliche Anforderungen
an Anbauort und erzeugte Lichtverteilungen anzupassen.
Im Rahmen der Umsetzung der aktiven Scheinwerfer-Prototypen ins dynamische Umfeld
wurden der DMD-Scheinwerfer und der Scanner-Scheinwerfer an ein Versuchsfahrzeug
montiert, siehe Abbildung 6.1. Damit lassen sich Versuchsfahrten und eine Evaluation der
erzeugten aktiven Lichtverteilungen unter dynamischen Bedingungen durchführen. Die zweite
Generation DMD-Scheinwerfer mit vorbereitetem dynamischen Kurven-licht ist in ein 5er
BMW-Schein-werfergehäuse integriert worden, siehe Abbildung 6.2. Ein erster Schritt der
Weiterentwicklung des DMD-Scheinwerfer-Konzepts zu einem Serienscheinwerfer wurde
damit bereits vollzogen.
Abbildung 6.1: Versuchsfahrzeug mit Frontreck, an dem der scannende Scheinwerfer
(links) und der DMD-Scheinwerfer (Mitte und rechts)montiert sind.
Abbildung 6.2: DMD-Scheinwerfer im 5er BMW-Seriengehäuse
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DER
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206
Bei der Umsetzung von Scheinwerferkonzepten ins dynamische Fahrzeugumfeld lassen sich
allgemein folgende Entwicklungslinien und Konfigurationsmöglichkeiten unterscheiden:
1. Aufbau eines Pixelarray-Scheinwerfers als Entwicklungstool für unterschiedliche
Scheinwerfer-Lichtverteilungen, mit denen der aufwändige Prototypenbau für zukünf-
tige Serienscheinwerfer in konventioneller Ausführung auf ein Minimum reduziert
werden kann.
2. Aufbau eines dynamischen aktiven Scheinwerfers, der die gesamte Lichtverteilung in
zahlreichen Freiheitsgraden variieren kann.
3. Zwei Scheinwerfer übernehmen den vollen Funktionsumfang aller aktiven Lichtvertei-
lungen
4. Ein Scheinwerfer übernimmt alle aktiven Lichtfunktionen und der 2. Scheinwerfer
wird nur zur Kennzeichnung der Fahrzeugbreite verwendet. Um ein gleiches Erschei-
nungsbild für entgegenkommende Fahrzeuge zu erhalten, sollte der 2. Scheinwerfer
eine ähnlich hohe Leuchtdichte aufweisen. Er könnte auch für die Erzeugung einer
Grundlichtverteilung verwendet werden, die mit den aktiven Lichtverteilungen überla-
gert wird. Der 2. Scheinwerfer kann in konventioneller Scheinwerferlichttechnik aus-
geführt sein. Teilweise könnte eine gewisse Grundlichtverteilung auch vom aktiven
Scheinwerfer selbst erzeugt werden.
5. Ein Zusatzscheinwerfer überlagert die beiden konventionellen Lichtverteilungen mit
den aktiven Lichtfunktionen. Dabei übernimmt dieser die Markierungs- und Display-
funktion. Der Zusatzscheinwerfer dient als Pointer und ermöglicht teilweise „Aug-
mented Reality“, in dem er die Objekte der Fahrsituation durch zusätzliche Darstel-
lungen und Markierungen ergänzt. Durch diesen Aufbau ist die Leuchtdichte der Ba-
sis-Scheinwerferlichtverteilung die niedrigste Leuchtdichte, wodurch der Kontrast der
Darstellungen geringer ist als beim ersten Aufbaukonzept.
Die erste Variante, der Einsatz des Pixelscheinwerfers als Entwicklungstool, kann heute
bereits eingesetzt werden, da dieser Scheinwerfer entweder unter statischen Bedingungen in
einem Lichtkanal oder unter geringen Anforderungen hinsichtlich Bauraumoptimierung und
Energieeinsatz an einem Frontreck eines Versuchsfahrzeugs montiert werden kann. Bei
letzterem ist es möglich, frei programmierte Lichtverteilungen direkt unter dynamischen
Bedingungen zu betrachten. Das kann dazu eingesetzt werden, um dem Kunden mehrere
Lichtverteilungen gezielt vorzuführen, damit dieser aus Wunschlichtverteilungen seine
Ziellichtverteilung für einen konventionellen Scheinwerfer aussuchen kann. Die Ziellichtver-
teilung muss sich dabei allerdings innerhalb der physikalischen und energetischen, lichttech-
nischen und optischen Grenzen eines konventionellen Scheinwerferaufbaus befinden, da sonst
die Ziellichtverteilung unrealistisch und unerreichbar bleibt. Ziellichtverteilungen würden
dann noch weiter erhöhte Anforderungen an die Auslegung von Scheinwerferlichtverteilun-
gen stellen. Eine weitere OEM-Kunden-Lichtverteilungsindividualisierung wäre damit
möglich. Diese Ziellichtverteilungen ließen sich am einfachsten und kostengünstigsten mit
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NTERSUCHUNG
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207
FF-Reflexionstechnik realisieren. Der Variabilität innerhalb dieser konventionellen Lichtver-
teilungen sind im späteren optischen System, d.h. im Betrieb, allerdings bisher und auf nähere
Zukunft enge technologische Grenzen gesetzt.
Innerhalb der frei programmierbaren Lichtverteilung sind neben der Form und Lage der Hell-
Dunkel-Grenze sowie deren Ausprägung, d.h. deren Schärfe oder Lichtstärkegradient, auch
Variationen innerhalb der Vorfeldleuchtdichtegradienten, sowohl in horizontaler als auch in
vertikaler Richtung möglich. Die Untersuchung von eingeblendeten Informationen der
Displayfunktion, deren Lage, Form, Kontrast und Dauer der Darstellung sind ebenfalls
durchführbar. Mit einem solchen Pixelarray-Scheinwerfer als Entwicklungstool lässt sich die
Markierungsfunktion anhand von dargestellten Objekten, deren Größe, Form, Lage und Zahl
innerhalb der Lichtverteilung untersuchen. Untersuchungen zur Sichtweite und Blendung im
Normalbetrieb, den Konsequenzen aus der Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze, der software-
technischen vertikalen Nachregelung dieser Grenze und der erzeugten Blendung bei den AFS-
und bei den aktiven Scheinwerferlichtfunktionen lassen sich ebenfalls vornehmen. Daher ist
die Anschaffung eines derartigen Pixelarray-Scheinwerfer als Entwicklungstool jedem Kfz-
Zulieferer und Kfz-Hersteller zu empfehlen, damit für zukünftige Scheinwerferprojekte
kostengünstig Zielgrößen durch Softwareanpassungen definiert und umfangreiche physiologi-
sche Untersuchungen durchgeführt werden können.
In realen, dynamischen Fahrsituationen wurden, vgl. 2. Variante, sowohl der DMD- als auch
der Scanner-Scheinwerfer untersucht. Dabei wurden diese jeweils einzeln für die Erzeugung
der kompletten Lichtverteilung eingesetzt. In weiteren Fahrversuchen wurden Kombinationen
aus einer DMD-Scheinwerferlichtverteilung und Gasentladungs-Abblendlichtverteilung
geprüft. Auf eine gezielte Ausblendung des DMD-Scheinwerferprojektionsbereiches wurde
dabei verzichtet. Mit der Kombination der DMD-Lichtverteilung und der Gasentladungs-
Abblendlichtverteilung sind die neuen gesetzlichen AFS-Regelungen von 2006 umgesetzt mit
denen es zulässig ist, zwei unterschiedliche Lichtverteilungen miteinander zu kombinieren.
Durch die Verwendung eines Gasentladungs-Abblendlicht-Scheinwerfers als zweiten
Scheinwerfer wird darüber hinaus eine hohe Fail-Safe-Sicherheit erzielt, da dieser eine
bewährte hohe Zuverlässigkeit hat. Anstelle der Gasentladungs-Abblendlichtverteilung
könnte auch nur eine Nebellichtverteilung verwendet werden.
In der dritten Variante werden anstelle eines aktiven Scheinwerfers zwei aktive Scheinwerfer
eingesetzt. Diese Variante soll hier nicht genauer erläutert werden.
Wird, wie in der vierten Variante beschrieben, mit nur einem leistungsfähigen DMD-
Scheinwerfer die gesamte Lichtverteilung erzeugt, so muss, um die gesetzlichen Regelungen
des paarweisen Scheinwerferbildes zu erfüllen, eine zusätzliche Leuchtdichte-Attrappe
eingesetzt werden. Diese hat dieselbe Leuchtdichte wie der eigentliche DMD-Scheinwerfer,
trägt allerdings nur geringfügig zu der Gesamtlichtverteilung durch ihre Abstrahlcharakteris-
tik bei. Die Erfordernisse der Redundanz und der Failsafe-Sicherheit wären mit diesem
Aufbau allerdings nicht erfüllt.
Bei der fünften Variante, dem additiven Erzeugen der Lichtverteilung mit einem frei pro-
grammierbaren Zusatzscheinwerfer, zusätzlich zu den beiden konventionellen, z.B. Kurven-
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Licht-Bi-Xenon-Scheinwerfern, können neben den AFS-Lichtverteilungen noch die aktiven
Scheinwerferlichtfunktionen frei programmiert und dargestellt werden. Diese Scheinwerfer-
kombination ist eine additive aus mehreren Einzelscheinwerfern, die sich in ihren Lichtvertei-
lungen überlagern. Eine hohe Failsafesicherheit und der höchste Wirkungsgrad wird mit
dieser Systemkonfiguration erzielt. Das liegt daran, dass immer nur diejenigen Scheinwerfer
eingesetzt werden, die für die jeweilige Lichtverteilung benötigt werden. Zusätzlich kann der
Zusatzscheinwerfer für die Modellierung der Hell-Dunkel-Grenze und z.B. die Markierungs-
und Displayfunktion gezielt optimiert werden, sodass die Lichtstromverluste durch Dunkel-
blenden minimal sind. Es ist zu erwarten, dass aktive Scheinwerfer anfangs als Zusatzschein-
werfer in die Kfz-Frontbeleuchtung eingeführt werden, da diese die geringsten Anforderungen
haben und am kostengünstigsten zunächst als Zusatzausstattung bei hochpreisigen Fahrzeu-
gen eingeführt werden können. Diese Scheinwerfervariante ermöglicht auch am leichtesten
die Verwendung der bisherigen für den Kfz-Einsatz zugelassenen Gasentladungslampen, da
die Anforderungen an maximal benötigten Lichtstrom, maximale Lichtstärke und erforderli-
che Breite der Ausleuchtung eher begrenzt sind.
6.4 Gesetze
Bei den aktiven Scheinwerfern sind für deren Einsatz im realen Straßenverkehr neben
technologischen Fragen auch gesetzliche Fragen zu klären, da zusätzlich zu den eher unprob-
lematisch erfüllbaren Anbauvorschriften die gesetzlichen Regelungen für aktive Scheinwer-
ferlichtverteilungen und der Einsatz von UHP-Kurzbogenlampen noch nicht geregelt sind.
Die bisherigen gesetzlichen Regelungen für Kfz-Scheinwerfer beschränken sich auf die
Definierung der Art der Lichtquelle, die Art der verwendeten Scheinwerfer und deren
Anordnungen zueinander. Mit der neuen Gesetzgebung im Rahmen der AFS-Scheinwerfer
werden dagegen Wirkvorschriften für die Lichtverteilungen erlassen, wodurch es möglich
wird, diese mit unterschiedlichen, auch in ihrer Lichtverteilung asymmetrischen Systemen zu
erfüllen.
Bei den gesetzlichen Regelungen werden die Richtlinien der ECE und die der FMVSS, die
teilweise auf dem Industriestandard SAE basieren, unterschieden. Die ECE-Regelungen
werden auch in Japan, in Australien, in weiteren Bereichen Asiens, in Afrika und zum Teil in
China angewendet.
Im Rahmen des internationalen EUREKA-Forschungsprojektes 1403 „Advanced Frontligh-
ting Systems“ [8.2, KALZE / DAMASKY 1999] wurden die Grundlagen für ein zukünftiges,
funktionsorientiertes Reglement der Lichtverteilung in Europa gelegt. Aus dem Verbund der
AFS-Lichtverteilungen wurde das statische und das dynamische Kurvenlicht herausgelöst,
sodass diese beiden Lichtfunktionen seit 2003 als „Pre-AFS“ zulässig sind. Weitere Licht-
funktionen, d.h. die situationsabhängigen Lichtverteilungen wie Stadt-, Landstraßen- und
Autobahnlicht, sowie das Schlechtwetterlicht (Adverse weather and wet road lighting) und ein
Überkopf-Sehzeichenlicht zur Beleuchtung von Schilderbrücken (Overhead sign lighting)
wurden untersucht und in ihren gesetzlichen Anforderungen festgelegt, damit diese ab 2006 in
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den Markt eingeführt worden sind. Mit diesen Lichtverteilungen ist ein erster Schritt in
Richtung sich selbständig den jeweiligen Verkehrssituationen anpassenden Lichtverteilungen
getan.
Für die Bewertung von Scheinwerferlichtverteilungen wird eine Beleuchtungsstärkemessung
verwendet, bei der der Scheinwerfer über ein Photogoniometer um seine vertikale und seine
horizontale Achse gekippt wird und die resultierenden Beleuchtungsstärken auf einem
Photoempfänger in 25m Entfernung ermittelt werden. Die für die Zulassung notwendigen
Messpunkte und Messbereiche lassen sich auch auf einem ebenen Messschirm in 25m
Entfernung darstellen, wobei die Lage der Messpunkte und damit die zugehörigen Winkel des
Photogoniometers je nach Lichtfunktion genau festgelegt sind.
Abbildung 6.3: Messpunkte einer ECE-Lichtverteilung (Ausschnitt am Beispiel des Abblend-
lichts) [vgl. GRE-Internet]
6.5 Lichttechnische Analyse der aufgebauten Konzepte
6.5.1 Effizienzbetrachtung
Wirkungsgradvergleich aus der Literatur
Einen Vergleich der unterschiedlichen technischen Systeme von Video-Projektoren zeigt die
Tabelle 6.3., die der Literatur entnommen wurde [8.2, WU, 2001].
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Tabelle 6.3: Übersicht über die Gesamteffizienz der Video-Projektions-Technologien [8.2,
WU, 2001]
Display Apertur Polarisation Reflektivität Optik Gesamt-Effizienz
p-Si-LCD 60 70 (80) --- 90 38
c-Si-LCoS 90 70 (80) 90 (FNG = 93%) 90 51
DMD 90 --- 90 (FNG = 68%) 85 69
Die Zahlenwerte der Tabelle 6.3 lassen sich folgendermaßen interpretieren: Bei beiden LC-
Technologien wurde eine Polarisationskonversion angenommen, wodurch der Polarisations-
wirkungsgrad auf 70% gesteigert werden konnte. In der Optikkategorie wurde die f-Nummer
nicht berücksichtigt. Dieser Vergleich basiert auf Zahlen von 1996 und einer Auflösung von
SVGA (800 x 600). Die Aperturraten von LCD, LCoS und DMD-Chip sind 65%, 84% und
77%. Bei einer Steigerung der Auflösung sinkt die Aperaturrate von LCDs auf 45%. Bei
LCoS- und DMD-Chips kann die Aperturrate konstant gehalten werden, wenn mit steigender
Auflösung die Chipgröße anwächst. Mit einem Mikrolinsenarray [8.2, HAMADA, 1995]
kann der Aperturratennachteil von LCD-Chips überwunden werden. Beim LCoS-Chip kann
die Aluminium-Reflexionsschicht (90% Reflektivität) mit 2 bis 4 dielektrischen Schichten auf
eine Gesamtreflektivität von 97% gesteigert werden [8.2, WU, 2001].
Ausgangswerte der Video-Projektoren
Werden die Wirkungsgrade der aufgebauten Scheinwerferprinzipien verglichen, so muss
zunächst von den Wirkungsgraden von Video-Projektoren ausgegangen werden, wie sie im
Büroeinsatz und im Home-Entertainment eingesetzt werden.
Die Ausgangswerte der Video-Projektoren, die als Basis für die aktiven Scheinwerfer mit
subtraktiver Lichtverteilungserzeugung gedient haben, sind in Tabelle 6.4 aufgetragen.
Tabelle 6.4 zeigt die Leistungs- und ANSI-Lumenwerte von handelsüblichen Video-
Projektoren. Deren Lichtleistung wurden auf einem Photogoniometer mit einem weißen,
homogenen Vollbild nachgemessen. Bei einem Vergleich des Projektionsmoduls mit den
Videoprojektoren muss das weiße Vollbild der Videoprojektoren mit dem Fernlicht des
Projektionsscheinwerfers verglichen werden. Aus den Lampenleistungswerten wird ersicht-
lich, dass die Videoprojektoren deutlich mehr Lampenlichtstrom einsetzen müssen, um
denselben Nutzlichtstrom auf der Zielbildfläche zu erhalten. Daher ist ihr Wirkungsgrad
(Nutzlichtstrom / Lampenlichtstrom) deutlich schlechter als der Wirkungsgrad des Projekti-
onsmoduls. Dieses ist auf die Straßenausleuchtung spezialisiert. Das Projektionsmodul hat nur
zwei Lichtfunktionen und ist damit den sehr flexiblen Video-Projektoren klar unterlegen.
Aufgabe dieser Promotion war es unter anderem, die Vorteile beider Systeme mit einander zu
vereinen.
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Tabelle 6.4: Ausgangswerte für die aktiven Scheinwerfer-Dimensionierung (vgl. Tabelle 6.5)
DMD-
Beamer 1
DMD-
Beamer 2
DMD-
Beamer 3
LCoS-
Beamer
Projektions-
scheinwerfer
Wirkungsgrad („HB“,
weißes Vollbild)
4,3 % 3,95 % 7,5 % 5,06 % 56,3 %
Lampenleistung 270W 220 W 145 W 220 W 35W
Lampenlichtstrom 27.000 lm 22.000 lm 14.000 lm 22.000 lm 3.200 lm
Nutzlichtstrom auf der
Zielbildfläche
1.164 lm 870 lm 1.052 lm 1.113 lm 1.800 lm (HB)
1.200 lm (LB)
E
max
in 25m 12,1 lx 11,7 lx 9,7 lx 11,9 lx 130 lx (HB)
75lx (LB)
ANSI-Lumen 2000 Keine Angabe
Keine Angabe
1800 entfällt
Kontrast (Hersteller-
Angaben)
1:300
(1:800)
1:580 1:580 1:88
(1:600)
1:150
Um den Wirkungsgrad der Videoprojektoren zu steigern, wurde das Farbrad und der Integra-
tor entfernt. Zusätzlich wurde die Zahl der Linsen deutlich reduziert. Zur Minimierung der
Lichtstromverluste im System wurde durch eine Anpassung der Mitteloptik das Etendué der
Auskoppeloptik auf das der Einkoppeloptik abgestimmt. Mit einer gezielt inhomogenen,
vormodulierten Einkoppel-Lichtverteilung, die einen Brennpunkt nahe des DMD-Chips bzw.
des LCoS-Chips hervorruft, konnte die Leuchtdichte auf der Chipfläche deutlich gesteigert
werden. Diese erhöhte Leuchtdichte führt zu einer deutlich gesteigerten Lichtstärke des
aktiven Scheinwerfers. Hierzu war es erforderlich die Kühlung des „Lichtventils“ DMD bzw.
LCoS, den erhöhten Lichtströmen (keine Farbrad- und Homogenisator-Verluste) und den
erhöhten Temperaturgradienten auf dem Chip anzupassen. In der weiteren Optimierung der
aktiven Scheinwerfer ist eine Freiform-Einkoppeloptik oder ein Freiform-Umlenkspiegel
anstelle des ebenen Kaltlichtspiegels, Abbildung 5.14, S.121, vorzusehen, damit die Wir-
kungsgradverluste innerhalb der Einkoppeloptik weiter gesenkt werden können. Die Einkop-
peloptik beeinflusst auch die Divergenz des eingekoppelten Strahlenbündels, die auf dem
reflektierenden DMD-Chip erhalten bleibt. Durch eine Freiform-Einkoppeloptik ist es evtl.
möglich auf eine Aspektverhältnis-verändernde, aufwändigere Auskoppeloptik zu verzichten.
Diese Maßnahme trägt auch dazu bei die Zahl der optischen Elemente im Strahlengang zu
reduzieren und kann damit den Wirkungsgrad des Gesamtsystems DMD-Scheinwerfer
erhöhen.
Wirkungsgradvergleich: konventionelles Projektionsmodul und DMD-Scheinwerfer
Der Vergleich des Wirkungsgrades eines DMD-Scheinwerfers mit einem konventionellen
Projektionsmodul hat folgende Teilaspekte: Beim konventionellen Projektionsscheinwerfer,
z.B. einem Vario-Xenon- oder Bi-Xenon-Modul, sind 100% Transmission für den Lichtstrom
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realisiert, der oberhalb der Blende des Projektionsmoduls vom FF-Ellipsoidreflektor auf die
Linse gelenkt wird. Das gilt sowohl für das Abblendlicht, als auch für das Fernlicht, da hier
jeweils der Lichtstrom oberhalb der jeweiligen Blendenstellung betrachtet wird. Demgegen-
über wird beim DMD-Scheinwerfer bei jeder Lichtfunktion der gesamte Lichtstrom (oder nur
Teile davon bei einer Kombination aus einer DMD-Lichtverteilung mit einer statischen
Grundlichtverteilung) auf den DMD-Chip gelenkt, der nur einen Gesamtwirkungsgrad von
68% aufweist. Daher muss bei jedem DMD-Scheinwerfer ohne eine statische Grundlichtver-
teilung oder einen Schaltspiegel, der Teile des Lichtstroms oder den gesamten Lichtstrom am
DMD-Chip vorbeilenkt, mindestens ca. 50% mehr elektrische Leistung zur Lichtstromerzeu-
gung eingesetzt werden, um denselben Lichtstrom nach der Auskoppeloptik auf der Straße zu
erhalten.
100% Energieverbrauch 150% Energieverbrauch
35 W (D2S-Lampe); 55W (H7-Lampe) 53 W (theoretisches Minimum)
Abbildung 6.4: Vergleich der Wirkungsgrade Projektionsscheinwerfer (links) vs. DMD-
Scheinwerfer (rechts)
Wirkungsgradvergleich des LCoS-Prototypen und des DMD-Scheinwerfers
Nach den bisherigen Messungen der DMD-Scheinwerferprototypen und des LCoS-Prototypen
und deren Ausbaustufen ergeben sich die folgenden Wirkungsgrade und Lichtstromverläufe,
Abbildung 6.5. Dabei soll auf die prinzipielle Aussage mehr Wert gelegt werden als auf die
endgültige Optimierung, die bei einer Umsetzung in ein potenzielles zukünftiges Serienpro-
dukt erfolgen könnte.
Die bisherigen Vergleiche der Wirkungsgrade von LCD-, LCoS- und DMD-Scheinwerfer
beruhen alle auf dem Prinzip der subtraktiven Lichtverteilungserzeugung. Dabei werden von
der maximal möglichen Lichtverteilung, z.B. Fernlicht, und einer maximalen Streubreite,
Teile der Lichtverteilung „weggeschnitten“. Dieser Lichtstrom wird durch die „Lichtventile“,
LCD-, LCoS- oder DMD-Chip ausgeblendet, d.h. direkt absorbiert (LCD) oder indirekt (über
Mehrfachreflexion beim LCoS) in Wärme gewandelt oder auf einen Absorber (DMD)
gelenkt. Kennzeichen jeder subtraktiv erzeugten Lichtverteilung ist der sinkende Wirkungs-
grad, je tiefer die Hell-Dunkel-Grenze liegt und je dunkler das Vorfeld innerhalb der Licht-
verteilung durch den Benutzer ausgewählt wurde. Dieses Verhalten wird exemplarisch am
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DMD-Scheinwerfer in Abbildung 5.13, S.118 dargestellt. Dieser Wirkungsgradeffekt kann
nur durch eine „zonal“ aufschaltbare Lichtquelle, z.B. 2 D2S-Kurzbogenlampen oder einzeln
ansteuerbare LEDs innerhalb eines LED-Arrays reduziert werden. Hierbei wird jeweils nur
die benötigte Lichtquelle betrieben, die für die Lichtverteilungserzeugung erforderlich ist.
Dafür ist eine örtliche Trennung der Ausleuchtbereiche der jeweiligen Lichtquellen einzuhal-
ten.
Abbildung 6.5 Wirkungsgrad-Vergleich des DMD-Scheinwerfers und des LCoS-Scheinwerfers
In Abbildung 6.5 ist auf der linken Ordinate der Lichtstromverlauf innerhalb des optischen
Systems aufgetragen. Die rechte Ordinate stellt den Wirkungsgrad des jeweiligen Bauele-
ments dar, das auf der Abzisse der Einkoppel-, der Mittel- und der Auskoppeloptik zugeord-
net wird. Wie Abbildung 6.5 zeigt, reduziert sich der Lampenlichtstrom innerhalb des
optischen Systems durch Transmissions- und Reflexionsverluste an den optischen Bauele-
menten. Da vom Lampenreflektor nur ein Teil des Lampenlichtstroms, der in den Raumwin-
kel von 4π abgestrahlt wird, genutzt werden kann, sinkt der Lichtstrom schon zu Beginn des
optischen Systems merklich ab. Beim DMD-Scheinwerfer liegen die größten Lichtstromver-
luste beim Ellipsoidreflektor und beim DMD-Chip. Beim LCoS-Scheinwerfer sind die
Lichtstromverluste über eine höhere Anzahl an Bauelementen verteilt. Dennoch lässt sich in
dieser Abschätzung ein etwas höherer nutzbarer Lichtstrom als beim DMD-Scheinwerfer
erwarten, da u.a. der LCoS-Chip deutlich effizienter den Nutzlichtstrom reflektiert.
Wirkungsgrad-Vergleich DMD- / LCoS-Scheinwerfer
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
UHP-Lampe
Ellipsoidreflektor
Paraboloidreflektor
Einkoppellinsen
Polarisator (p + s)
Einkoppellinsen
DMD-Chip
Flächennutzungsgrad
DMD-Chip
PBS (Polarisations-
Beam-Splitter)
LCoS-Chip
Flächennutzungsgrad
LCoS-Chip
Feldlinse
PBS (Polarisations-
Beam-Splitter)
Auskoppeloptik
Einkoppeloptik Mitteloptik Auskoppeloptik
Lichtstrom [lm] .
40
50
60
70
80
90
100
Wirkungsgrad [%] .
DMD-Lichtstromverlauf LCoS-Lichtstromverlauf WKG der DMD-Elemente WKG der LCoS-Elemente
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Wirkungsgrad des scannenden Scheinwerfers
Wird dagegen der scannende Scheinwerfer betrachtet, so ist dessen Wirkungsgrad stets
konstant, da der scannend verteilte Lichtstromanteil immer gleich bleibt. Dieser Lichtstrom-
anteil wird nur je Lichtfunktion in einen anderen Bereich der Lichtverteilung gelenkt, sodass
der Fahrer eine unterschiedliche Form der Hell-Dunkel-Grenze und eine unterschiedliche
Lichtstärkeverteilung wahrnimmt. Je nach Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit
Teile des scannenden Lichtstromanteils auf einen Absorber zu lenken. Kenngröße des
scannenden Scheinwerfers ist dessen maximale Höhe des Lichtstroms, der scannend umver-
teilt werden kann, da die Leuchtdichte der Lampe begrenzt und die Größe der scannenden
Spiegel aus Dynamikgründen beschränkt ist. Die maximalen Schwenkwinkel und die
Anordnung der Spiegelachsen zueinander, Abbildung 5.27, haben großen Einfluss auf die
notwendigen Spiegelgrößen. Diese Spiegelauslenkposition und die Spiegelgrößen haben
wiederum Einfluss auf die maximalen Scanbeschleunigungen und Scanfrequenzen und damit
die erreichten Wiederholraten des scannend erzeugten Lichtbildes. Kenngröße auf der Straße
sind die Belichtung H und die resultierende Beleuchtungsstärke E. Der limitierende Faktor für
den maximal bündelbaren Lichtstrom durch die Einkoppeloptik (Sammeloptik) ist auch hier
das Etendué.
Wirkungsgrad-Vergleich des Scannenden Scheinwerfers und des AMD-Arrays
Der Wirkungsgrad des scannenden Scheinwerfers ist durch seine Lichtstrom-Umverteilung
mittels variabler optischer Elemente sehr vorteilhaft. Alternativ kann das durch ein variables
Mikrospiegelarray realisiert werden, das mit kleinen Mikrospiegeln, die jeweils einzeln mit
einer oder zwei Schwenkachsen drehbar gelagert sind, aufgebaut ist. Bei zwei Schwenkachsen
kann auf weitere umlenkende Elemente verzichtet werden. Nachteilig gegenüber dem
scannenden Scheinwerfer ist der geringere Flächennutzungsgrad des AMD-Spiegel-Arrays.
Von Vorteil ist die hohe Variabilität des AMD-Arrays, die das gleichzeitige Lichtstromvertei-
len mit unterschiedlichen Strahlenpfaden ermöglicht. In der Ansteuerung kann das AMD-
Array statisch oder scannend betrieben werden. Auch im statischen Fall treten bei geeigneter
Ansteuerung und einer entsprechenden Wahl der Lichtstrom-Einkopplung auf den AMD-Chip
keine Lücken im resultierenden Abbild der Spiegelflächen auf. Die einzelnen Lichtbündel der
Einzelspiegel können aneinandergereiht oder teilweise oder vollständig überlagert werden.
Dennoch ist es in einem zweiten Brennpunkt möglich nur eine um den Flächennutzungsgrad
und den Reflexionsgrad des AMD-Arrays reduzierte Leuchtdichte zu erzielen im Vergleich zu
der Leuchtdichte, die durch eine transmittive, optische Abbildung einer Linse erzeugt wird. Es
ist allgemein zu sagen, dass eine Lichtstrom-Umverteilung energetisch gesehen das Optimum
für Scheinwerfer darstellt. Problematisch und aufwändig sind nur die Art und der Aufbau des
dazugehörigen optischen Systems bzw. die technologischen Schwierigkeiten in der Herstel-
lung und Ansteuerung des AMD-Arrays.
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Optimierung des AMD-Scheinwerfers
Möchte man ein Optimum in dem globalen Wirkungsgrad der AMD-Anordnung erzielen, so
kann das nur durch einen Membranspiegel oder eine adaptive Optik in Form einer Spiegel-
membran erzielt wird. Diese hat allerdings den Nachteil der geringen Variabilität, da es sich
zumeist um eine stetige Membran handelt. Ist diese segmentiert, so können diese Membran-
segmente in ihrer Gesamtform moduliert werden. Die Verspiegelung der Membranen, deren
Dauerfestigkeit und die Formstabilität bei Vibrationen sind interessante Herausforderungen
für die Zukunft.
Wirkungsgrad- vs. Thermikeinfluss auf die lichtlenkenden Elemente
Ein hoher Wirkungsgrad ist nicht nur als Selbstzweck anzustreben. Vielmehr ermöglicht er
einen geringeren Energieeinsatz bei der Lichtstromerzeugung und vereinfacht wesentlich die
Energieabfuhr der Verlustwärme bzw. die Reduktion von Energiekonzentrationen im System.
Außerdem verringert ein hoher Wirkungsgrad Schwierigkeiten mit temperaturbegrenzten
Bauteilen und er erleichtert die Herausforderung eines erhöhten Temperaturumfeldes am
Rand des (Kfz-) Motorraums.
Wendelbildlage- und Lichtquellenanforderungen für einen hohen Wirkungsgrad
Neben dem Wirkungsgrad bei jeder Spiegeloptik, insbesondere bei den Lichtstrom-
umverteilenden Konzepten, d.h. dem AMD-, Scanner- und Membranspiegel, ist auf die Lage
der Wendelbilder zu achten. Das ist erforderlich, da keine nachgeschaltete Blende (reale
Blende oder ein LCD, LCoS- oder DMD-Array) vorhanden ist, welche die auf die Spiegel
auftreffenden Wendelbilder beschneiden könnte, und da die Divergenz der abgebildeten
Wendelbilder durch die Abbildungen erhalten bleibt bzw. sich vergrößert (vgl. Konservierung
bzw. Erhöhung des Etendué im optischen System). Vorteilhaft ist dabei ein möglichst kurzer,
scharf begrenzter Lichtbogen mit sehr hoher Leuchtdichte, weil hierdurch die Abbildung und
die Lichtstärke der Abbildung vereinfacht bzw. erhöht werden kann.
Wirkungsgrad-Vergleich der im L-LAB aufgebauten aktiven Scheinwerfer-Prototypen
Nachdem die Voraussetzungen für einen hohen Wirkungsgrad erklärt wurden, kann in Tabelle
6.5 die Steigerung des Wirkungsgrades des nutzbaren Lichtstroms und der maximalen
Beleuchtungsstärke gegenüber den Ausgangswerten der Video-Projektoren, Tabelle 6.4,
abgelesen werden. In der Tabelle 6.5 wurde neben dem LCoS-Scheinwerfer und dem DMD-
Scheinwerfer auch der scannende Scheinwerfer in den Vergleich aufgenommen. Da der
AMD-Aufbau nur einen ersten Technologie-Demonstrator darstellt, ist dieser in der Tabelle
nicht enthalten.
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Tabelle 6.5: Lichtleistungswerte der aktiven Scheinwerfer im Vergleich zu konventionellen
Projektionsscheinwerfern.
LCoS-
Scheinwerfer
1.DMD-
Scheinwerfer
(I)
2. DMD-
Scheinwerfer
(II)
Scannender-
Schein-
werfer (I)
konventioneller
Projektions-
Scheinwerfer
Freiheitsgrad sehr hoch sehr hoch sehr hoch mittel gering
Wirkungsgrad (LB) <4% 8,2 % 4,6% 30,5 % 37,5 %
Wirkungsgrad (HB) 6,1% 12,6 % 9,8% 30,5 % 56,3 %
Lampenleistung 220 W 220 W 145 W 35 W 35 W
Lampenlichtstrom 22.000 lm 22.000 lm 14.000 lm 3.200 lm 3.200 lm
Abblend-Lichtstrom
auf der Straße (LB)
entfällt 1.150 lm 642 lm 910 lm +
66 lm (Scan
Anteil)
1.200 lm
Fern-Lichtstrom auf
der Straße (HB)
850 lm 1.760 lm 1.370 lm 910 lm
+ 66 lm
1.800 lm
E
max
16 lx (LB) 109 lx (LB) 46 lx (LB) 79 lx (LB) 75 lx (LB)
E
max
, maximale
Beleuchtungsstärke
16 lx (HB) 106 lx (HB) 53 lx (HB) 100 lx (ML)
50 lx (HB)
130 lx (HB)
Kontrast der Schein-
werfer-Prototypen
1:13 1:800 1:72 nicht
gemessen
1:150
Basiskontrast des
Video-Projektors
1:88 1:585 1: 575 nicht
definiert
entfällt, da
Serie
Tabelle 6.5 zeigt gegenüber Tabelle 6.4, dass insbesondere die nutzbaren Lichtströme und die
maximalen Beleuchtungsstärken erheblich gesteigert wurden. Der Wirkungsgrad der DMD-
Scheinwerfer konnte ebenfalls deutlich gesteigert werden. Insbesondere der 1. DMD-
Scheinwerfer zeigt hohe maximale Beleuchtungsstärken bei sogar noch gesteigertem Kon-
trast. Der Wirkungsgrad des scannenden Scheinwerfers ist deutlich höher als bei den subtrak-
tiv erzeugten Lichtverteilungen, da dieser auf die „Lichtventile“ des DMD- und LCoS-
Scheinwerfers verzichtet. Dadurch fallen auch nicht die Wirkungsgradverluste an diesen
„Lichtventilen“ an. Darüber hinaus hat der scannende Scheinwerfer weniger, lichtstromver-
lustbehaftete, optische Bauelemente. Das Kennzeichen des konstanten, innerhalb der Licht-
verteilung umverteilten Lichtstroms wird auch hier für den scannenden Scheinwerfer deutlich.
Da die Leuchtdichte der D2R(modifizierten) Lampe deutlich geringer ist als die der UHP-
Lampen der DMD- und LCoS-Scheinwerfer, sind die maximalen Beleuchtungsstärken,
insbesondere beim Fernlicht deutlich geringer. Das ist auch bedingt durch die geringere
Lampenleistung. Der hohe Wirkungsgrad des Projektionssystems wird, bedingt durch die
gewünschte Flexibilität in der Formung der Lichtverteilung und der Hell-Dunkel-Grenze, bei
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den aktiven Scheinwerfern nicht erreicht werden können, wie auch der vorangegangene
Vergleich zwischen DMD-Scheinwerfer und Projektionsmodul gezeigt hat. Insgesamt kann
festgestellt werden, dass deutliche Steigerungen im Wirkungsgrad und in der lichttechnischen
Leistungsfähigkeit der aktiven Scheinwerfersysteme erzielt werden konnten.
6.5.2 Lichtverteilungen
Stand der Technik zu Hell-Dunkel-Grenzen, zu lichttechnischen Anforderungen und
zur Definitionen von Lichtverteilungen
In [8.3, POLLACK, 1998] werden unterschiedliche Verfahren zur Charakterisierung der Lage
und Ausprägung der Hell-Dunkel-Grenze vorgestellt. Die Lage der Hell-Dunkel-Grenze und
ihre Schärfe werden nach der folgenden Formel ermittelt: G(a) = log E(a) – log E(a + 0,1) mit
E(a) als der Beleuchtungsstärke entlang eines vertikalen Schnittes durch die Hell-Dunkel-
Grenze und a als vertikaler Winkel. Das Maximum von G ergibt die Position a der Hell-
Dunkel-Grenze. Der Absolutwert a von G ist ein Maß für die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze
an der Position a. Zu der Bewertung der Hell-Dunkel-Grenze sind u.a. Arbeiten von [8.3,
SCHMIDT-CLAUSEN, 1995] durchgeführt worden.
In der Literatur sind mehrere Arbeiten zu den lichttechnischen Anforderungen an Scheinwer-
fer bekannt [8.3, DAMASKY, 1995; 8.3, HUHN, 1999].
[8.3, DAMASKY, 1995] zitiert WICHERT, der bereits 1970 den Vorschlag machte, Kfz-
Lichtverteilungen in Stadt-, Landstraßen-, Autobahn- und Fernlicht aufzuteilen. Die Reich-
weite des Abblendlichtes wurde bei Fahrten mit erhöhter Geschwindigkeit als nicht ausrei-
chend erachtet. Zusätzlich ist die Blendung durch Abblendlicht im Stadtverkehr unnötig hoch.
Lichttechnische Forschungsergebnisse zu aktiven Scheinwerferlichtverteilungen
Im Rahmen der Diplomarbeiten von Thomas Müller [8.7, MÜLLER, 2004] und Mario
Reinsdorf [8.7, REINSDORF, 2004] wurden Vergleiche der mit den bisherigen aktiven
Scheinwerferkonzepten erzielbaren Lichtverteilungen durchgeführt.
In der Diplomarbeit von Mario Reinsdorf [8.7, REINSDORF, 2004] ist eine Ansteuerungs-
umgebung entstanden, die es erlaubt, die Lichtverteilung des DMD-Scheinwerfers in weiten
Grenzen zu variieren. Die maximal mögliche Lichtverteilung stellt dabei die Fernlichtvertei-
lung dar. Mit der Software lassen sich neben dem Funktionsumfang des Gesamtsystems
verschiedene Lichtverteilungen, d.h. konventionelle, AFS- und aktive Scheinwerferlichtver-
teilungen, darstellen. Darüber hinaus kann der Gradient der Hell-Dunkel-Grenze, deren
vertikale und horizontale Position und die Variation des Scheinwerfervorfeldes vorgenommen
werden. Dazu lassen sich mehrere Vorfeldgradienten einblenden, die es erlauben, die
Beeinflussung auf den Fahrer zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte das nur
teilweise durchgeführt werden.
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Mit Hilfe von Zusatzfunktionen können die Eigenschaften des DMD-Chips, d.h. maximaler
Kontrast, Zahl, Lage und Darstellung der Graustufen, mögliche Defektpixel auf der Chipflä-
che und eine mögliche Beschneidung der Chipfläche, untersucht werden. Als Beschneidung
werden dabei Bereiche auf dem DMD-Chip bezeichnet, die mit größeren Defektpixelgruppen
oder ganz ausgefallen sein könnten. Die Aufweitung der Toleranzgrenzen erlaubt die Kosten
für den Gesamtchip zu senken. Wichtig ist dabei allerdings, dass DMD-Chips mit Defekten
keine losen Mikrospiegelelemente enthalten dürfen, da diese die anderen funktionsfähigen
Mikrospiegel blockieren könnten.
Die Funktionen der Lichtverteilungen sollen im nächsten Kapitel, zusammen mit ihrer
Ansteuerung genauer beschrieben werden.
Mit der Software-Ansteuerungsumgebung ist es möglich, unterschiedliche Vorfelder inner-
halb der Lichtverteilung zu untersuchen. Der Verlauf der Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit
vom Abstrahlwinkel des Scheinwerfers ist in Abbildung 6.4 dargestellt. Die Breite der Hell-
Dunkel-Grenze ist in Abbildung 6.5 und in Abbildung 6.6 zu sehen.
Die adaptiven Scheinwerfer müssen in ihrer Ausleuchtung einen Kompromiss verfolgen
zwischen maximaler Erkennbarkeitsentfernung und minimaler Blendung für den Gegenver-
kehr bzw. markierte Sehobjekte im Verkehrsraum. Eine kurzzeitige Blendung durch eine
blinkende Markierung kommt dabei dem Kompromiss aus maximalem Sicherheitsgewinn
durch eine gezielte Ausleuchtung des Sehobjektes und der dabei resultierenden, kurzzeitigen,
unerwünschten Blendung des markierten Objektes entgegen. Kurzzeitiges Blinken hat dabei
eine höhere Attraktivität für das menschliche Auge, sodass die Aufmerksamkeit des Betrach-
ters dorthin gelenkt wird. Die Dauer, Intensität und Frequenz der Markierungslichts gilt es
noch zu untersuchen.
Im Rahmen der Diplomarbeit von [8.7, REINSDORF, 2004] ist eine softwaretechnische
Ansteuerungsumgebung für einen aktiven Scheinwerfer entstanden, die für erste Probanden-
bewertungen eingesetzt wurde. Diese erlaubt die in weiten Grenzen freie Programmierung der
Lichtverteilung des aktiven Scheinwerfers. Dabei wird der Datenverarbeitungspfad von
bisherigen Videoprojektoren verwendet, d.h. das VGA-Bild des Monitors wird über den
Videoeingang des Videoprojektors in ein Ansteuersignal des DMD- oder LCoS-Chips
umgesetzt. Bei der Ansteuerung der Lichtverteilungen, in einer Auflösung von 1024 x 768
Pixel, wird ein Grauwertebild in 255 Graustufen erzeugt. Die Ansteuerungsumgebung bietet
die Variations- und Austeuermöglichkeiten, die in Tabelle 6.6 aufgezählt sind.
Die Ansteuerungssoftware ermöglicht es den Leuchtdichtegradient der Lichtverteilung im
Vorfeld des aktiven Scheinwerfer-Kfzs einzustellen. Die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze und
dessen Gradient lässt sich ebenfalls variieren. Neben den AFS-Lichtverteilungen und deren
Variationsmöglichkeiten in Höhe und Breite der Hell-Dunkel-Grenzen-Anhebung (für das
Autobahnlicht) kann innerhalb der Lichtverteilungen eine Displaylicht-Information einge-
blendet werden, die sich in Schrift, Form, Lage und Kontrast variieren lässt. Die Markierungs-
U
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DER
L
EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
219
lichtfunktion ist ebenfalls darstellbar, wobei Lage, Größe, Kontrast, Zeitdauer und Ausprä-
gung der Markierung (vollflächig oder nur eingerahmt) flexibel einstellbar sind.
DMD-Aufbau – Videoprojektor-Testfunktionen:
Die in der Ansteuersoftware von [8.7, REINSDORF, 2004] umgesetzten Videoprojektor-
Testfunktionen bieten folgende weitere Möglichkeiten, siehe auch Tabelle 6.6. Es können alle
Mikrospiegel- oder LCoS-Pixelelemente, auf komplett weiß, schwarz, Graustufenverläufe
oder Schachbrettmuster zu Kontrastbestimmung gesetzt werden. Zusätzlich lässt sich
untersuchen, ob einzelne oder mehrere Defektpixel einzeln oder in Gruppen vom Fahrer unter
statischen oder dynamischen Bedingungen nur in lokalen Bereichen oder in der gesamten
Lichtverteilung wahrgenommen werden können. Die Abdunklung der oberen Ecken der
Lichtverteilung bzw. der unteren Ecken des DMD-Chips ermöglicht festzustellen, ab welcher
Defektgröße eine Beeinträchtigung der Ausleuchtung der Fahrbahn und damit einer reduzierte
Wahrnehmung des Fahrers festgestellt werden kann.
Tabelle 6.6: Übersicht über die Ansteuermöglichkeiten der aktiven Scheinwerfer-Software
Taste
Licht-
funktion
Kennzeichen Aktive Licht-
funktionen
Parameter der Ansteuerung
F1 LB Rechts-
verkehr
15° Anstieg Fahrerspezi-
fisches Licht
Wahl des Vorfeldgradienten in Stufen
F2 Autobahn-
licht
angehobene
zentrale HDG
freie Wahl des Vorfeldgradienten
F3 Fernlicht keine HDG freie Wahl der Schärfe der HDG in
Bereichen
F4 Stadtlicht niedrige
horizontale HDG
freie Wahl der Neigung des HDG-
Anstiegs
F5 LB Links-
verkehr
15° Anstieg Display-
funktion
freie Texteingabe
F6 Dyn.
Kurvenlicht
softwaretechni-
sche Animation
vordefinierte Pfeile, Zahlen und Symbole
F10 Beamertest-
funktionen
Test der Beamer-
Ansteuerung
Markierungs-
funktion
unterschiedliche Lage und Größe der
definierten Markierungsfunktion
Pulsfrequenz der Markierung
Verschieben
der HDG in
der Höhe
Verschieben der
Displayposition
in Höhe + Breite
Beamertest-
funktionen
Defektpixelgröße und Positionswahl
Verschieben
der HDG
teils seitlich
Daten Import,
Export der
Parameter
Wahl der Größe des oberen Beschnitts
der Lichtverteilung
U
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DER
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
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ROTOTYPEN
220
Untersuchungen zur Hell-Dunkel-Grenze und deren Schärfe
Bei der Ansteuerungssoftware und deren Lichtfunktionen orientiert sich die Lage und die
Position der Hell-Dunkel-Grenzen an denen von bisherigen und zukünftigen AFS-
Lichtfunktionen. Die Lichtverteilungen, der Vorfeldgradient und der Gradient der Hell-
Dunkel-Grenze wurden beide in vertikaler Richtung bestimmt und mit dem von zukünftigen
Vario-Xenon-Systemen verglichen. Beispiele für mögliche Gradientenverläufe werden in
Abbildung 6.4 gegeben.
Abbildung 6.4: Gradientenverlauf des Scheinwerfervorfeldes [8.7, REINSDORF, 2004]
In Abbildung 6.4 wird deutlich in welchen weiten Grenzen der Beleuchtungsstärkegradient
mit dem DMD-Scheinwerfer (1. Prototyp) variiert werden kann. Das Xenonsystem dient
dabei als Referenz für bisherige Scheinwerfersysteme. Der Schwenkwinkel stellt dabei den
vertikalen Winkel des aktiven DMD-Scheinwerfers auf einem Photogoniometers dar, der für
einen vertikalen Schnitt durch eine Beleuchtungsstärkemessung in 25m Entfernung entspre-
chend geneigt wurde. Abbildung 6.5 zeigt die Möglichkeiten der variierten Steilheit des Hell-
Dunkel-Gradienten auf. Dessen Steigung kann maximal sein bei einem Übergang von einem
hellen, weißen Bildpunkt zu einem schwarzen Bildpunkt (1 Pixel). Eine sehr weiche Hell-
Dunkel-Grenze wird mit 40 Pixeln Breite des Graustufenübergangs erzielt. Heutige Xenon-
Projektions-systeme haben eine Hell-Dunkel-Grenzen-„Breite“ von ca. 25 Pixeln. Abbildung
6.6 stellt die Lage der Hell-Dunkel-Grenze, bestimmt nach dem ATN-Verfahren dar [8.3,
POLLACK, 1998]. In Tabelle 6.7 sind die jeweiligen Zahlenwerte des ATN-Verfahrens
aufgetragen.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
Schwenkwinkel [°]
Beleuchtungsstärke [lx]
Linear
Stufenförmig
Abklingend
Logarithmisch
Keiner
Xenonsystem
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DER
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DER
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ROTOTYPEN
221
Abbildung 6.5: Gradientenverlauf der Hell-Dunkel-Grenze [8.7, REINSDORF, 2004]
Abbildung 6.6.: Lage der Hell-Dunkel-Grenze und ATN-Werte in Abhängigkeit von der
Pixelzahl der HDG [8.7, REINSDORF, 2004]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Schwenkwinkel [°]
Beleuchtungsstärke [lx]
1 Pixel
10 Pixel
20 Pixel
30 Pixel
40 Pixel
Xenonsystem
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
-1,0 -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Schwenkwinkel [°]
ATN-Wert
1 Pixel
10 Pixel
Xenon
30 Pixel
40 Pixel
20 Pixel
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DER
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
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ROTOTYPEN
222
Tabelle 6.7: ATN-Werte für die gemessenenen Hell-Dunkel-Grenzen [8.7, REINSDORF,
2004]
Abbildung 6.7: Vergleich der Lichtverteilungen, scharfe HDG mit Displaypfeil und weicher
HDG mit dunklem, linearen Vorfeld. Vergleich mit einer konventionellen Abblendlichtvertei-
lung als Falschfarbendarstellung [a.u.]
Abbildung 6.8: Vergleich der Lichtverteilungen Ausgangs-Video-Projektor mit homogener
Lichtverteilung und der modifizierten Fernlichtverteilung des aktiven Scheinwerfers
In Abbildung 6.7 werden die 2 DMD-Lichtverteilungen mit unterschiedlich scharfer Hell-
Dunkel-Grenze und unterschiedlich starkem Vorfeld-Gradienten einer konventionellen
Xenon-Lichtverteilung gegenübergestellt. Deutlich zu sehen ist die Variabilität der DMD-
Anzahl der Pixel Maximalwert der ATN Winkelposition [°]
1 17,757 -0,41
10 15,635 -0,40
20 9,148 -0,39
30 4,783 -0,36
40 4,099 -0,29
Xenonsystem 6,701 -0,30
Ф
Ф
U
NTERSUCHUNG
DER
L
EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
223
Lichtverteilung. In Abbildung 6.8 werden die Lichtverteilungen eines DMD-Video-Projektors
mit der modifizierten Fernlichtverteilung des aktiven DMD-Scheinwerfers verglichen, wobei
dieselbe UHP-Lampe, dasselbe Auskoppelobjektiv eingesetzt und derselbe Öffnungswinkel
der Lichtverteilung verwendet wurde. Dieser Vergleich verdeutlicht den massiven Unter-
schied zwischen einer Lichtverteilung eines konventionellen DMD-Videoprojektors und der
aktiven DMD-Lichtverteilung, wobei dieselbe technologische Basis verwendet wurde.
Neben dem Einsatz des aktiven DMD-Scheinwerfers in der Großserie kann dieser auch als
Entwicklungswerkzeug („Pixel-Light-Distribution-Rapid-Prototyping-Tool“) eingesetzt wer-
den. Mögliche Einsatzfelder sollen hier exemplarisch aufgezählt werden:
1. Definition der Anforderungen für zukünftige Scheinwerferentwicklungen unter statischen
und dynamischen Bedingungen
2. Definition der Markierungsfunktion (Lage, Intensität, Dauer, Kontrast, Gradient am Rand,
evtl. Lichtfarbe)
3. Definition der Displayfunktion (positiver oder negativer Kontrast, Verzerrung, Größe und
Lage der Darstellung, Art der Information etc.; Untersuchung bei unterschiedlichen Witte-
rungsbedingungen, Akzeptanzuntersuchungen des Fahrers, entgegenkommender Fahrer,
Risikokompensation etc.; Definition der Lage und Größe der Fahrerinformation für Head-
up-Displays mit einfachen Mitteln des aktiven Scheinwerfers)
4. Definition der fahrerspezifischen Ausleuchtung für maximalen Fahrkomfort, für minimale
Eigen- und Fremdblendung und maximale Erkennbarkeitsentfernung
5. Definition der straßensituationsabhängigen Lichtverteilungen, z.B. der Ausleuchtung in
Abhängigkeit vom Fahrbahnverlauf (nicht nur Kurven) oder der Topologie (vertikale
Straßenkrümmung)
6. Definition der verkehrssituationsabhängigen Lichtverteilungen, z.B. der kollektiven
Ausleuchtung, über Winkelbereich, Lichtstärken, zeitliche und räumliche Konstanz
7. Definition der Geschwindigkeit und des Verstellwegs der Leuchtweitenregelung. Zusätz-
lich können auch die Geschwindigkeit und in Grenzen der Verstellweg des dynamischen
Kurvenlichts untersucht werden.
8. Validierung von verschiedenen vermessenen Lichtverteilungen existierender Scheinwerfer,
wobei diese identisch mit dem aktiven DMD-Scheinwerfer nachmoduliert werden, um per
Software sekundenschnell von der Lichtverteilung eines ersten Scheinwerfers auf eine
andere Lichtverteilung eines zweiten Scheinwerfers umzuschalten, damit die beiden Licht-
verteilungen im Paar-Vergleich miteinander verglichen und bewertet werden können.
9. Mit dem aktiven DMD-Scheinwerfer lassen sich sehr einfach Untersuchungen zur
Erkennbarkeitsentfernung von Scheinwerfern und den benötigten Erfordernissen an die
Lichtverteilung vornehmen, wobei Änderungen per Software möglich sind. Ebenfalls
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NTERSUCHUNG
DER
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
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ROTOTYPEN
224
lassen sich mit dem Scheinwerfer Blendungsuntersuchungen vornehmen, wobei die Licht-
verteilung und die Lichtstärke in weiten Grenzen variiert werden kann.
Bei der Ansteuerungsumgebung des Beamer-Scheinwerfers sind, wie schon erwähnt, nur
insgesamt 255 Graustufen möglich. Dieses Graustufenbild wird mit dem Lichtstärkegradien-
ten der Fernlichtverteilung des Beamer-Scheinwerfers überlagert, sodass insgesamt eine
Dynamik von deutlich mehr als 255 Lichtstärkewerten erzielt wird. Dabei entspricht dersel-
ben Graustufe bzw. demselben Weiß-Farbton, je nach Lage innerhalb der Einkoppellichtver-
teilung bzw. auf dem DMD-Chip, einem Lichtstärkeanteil (Graustufe, pulsweitenmodulierte
Dunkeltastung) oder dessen Maximallichtstärke (Weiß, keine Dunkeltastung). Durch die
Einkoppeloptik wird für den Kfz-Einsatz gezielt eine inhomogen Lichtverteilung geformt, bei
der derselben Graustufe, je nach Position innerhalb der Lichtverteilung, eine andere Lichtstär-
ke zugeordnet wird. D.h. innerhalb einer homogenen Lichtverteilung bedeutet eine Graustufe
einen anderen Lichtstärkewert, als das bei der Zuordnung derselben Graustufe zu einer
inhomogenen Lichtstärkeverteilung, unterschiedlich je nach Lage auf dem DMD-Chip, der
Fall ist. Bei der Kombination der Softwareumgebung mit der vorgeformten Lichtverteilung
wird eine relative Abstufung in 255 Stufen vorgenommen, wobei deren Spreizung je nach
LSV-Position unterschiedlich ist. Mathematisch wird dabei eine Faltung des Graustufenbildes
mit der Lichtstärkeverteilung der Einkoppeloptik auf dem DMD-Chip vorgenommen.
Die maximale Lichtstärke und die maximale Breite der Fernlichtverteilung kann bei einer
softwaretechnischen Ansteuerung nicht überschritten werden, da eine subtraktive Art der
Lichtverteilungserzeugung bei dem DMD- und dem LCoS-Scheinwerfer vorliegt. Die
maximale Lichtstärke wird durch den Fokussierungsgrad der Einkoppeloptik, den Gradienten
und die Lichtstärkeverteilung innerhalb der Einkopplung beeinflusst. Die maximale Streubrei-
te der Lichtverteilung wird durch die Auskoppeloptik und deren Öffnungswinkel, Abbil-
dungsmaßstab und Apertur bestimmt. Die Auskoppeloptik hat dabei stets die Funktion der
Abbildung des DMD- und LCoS-Chips auf die Straße. Da die Aspektverhältnisse der DMD-
und LCoS-Chips meistens 4:3 sind, die Straßenausleuchtung jedoch ein Verhältnis von z.B.
9:2 erfordert, muss zur Anpassung eine Zylinderlinsen-Abbildungsoptik vorgesehen werden.
Diese Zylinderlinsenoptik hat allerdings die Folge der „Verschmierung“ von Lichtstärkeinten-
sitäten, sodass die maximal mögliche ausgekoppelte Lichtstärke absinkt. Eine Verzerrung in
der Abbildung und mögliches Streulicht können weitere Folgen dieser Art der Auskopplung
sein. Um die Lichtstromeffizienz innerhalb des optischen Systems möglichst hoch zu halten,
ist eine Anpassung der Strahlengänge zwischen der Einkopplung und der Auskopplung
notwendig. Das geschieht über eine Feldlinse, die in der Nähe des DMD-Chips angeordnet ist.
Damit wird ein möglichst geringes Absinken des Etendué bzw. des geometrischen Flusses
innerhalb des optischen Systems angestrebt.
Die Tiefenschärfe der Scheinwerfer stellt in der Anwendung soweit kein Problem dar, da
dieser so eingestellt wird, dass die Hell-Dunkel-Grenze in einem Bereich zwischen 10m bzw.
25m Entfernung und insbesondere die im Vorfeld dargestellte Information scharf auf der
Fahrbahn abgebildet werden.
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DER
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DER
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ROTOTYPEN
225
Der sehr flache Lichteinfall des aktiven Scheinwerfers ist auch Kennzeichen der bisherigen
konventionellen Scheinwerferlichttechnik. Ein annähernd senkrechter Lichteinfall oder eine
schräge Beleuchtung der Fahrbahn wie bei einer stationären Straßenbeleuchtung wäre von
Vorteil, ist allerdings bei dynamisch bewegten Verkehrsteilnehmern unter geometrischen und
unter aerodynamischen Bedingungen nicht möglich.
6.6 Lichtfunktionsanalyse
Grafik der Hauptlichtfunktionen / „Bausteine der Lichtfunktionalitäten“
steigende Adaptivität / Aktivität der Lichtfunktionen
Schritte der Licht-
funktionen
Klassen / Lichtfunktionsbausteine
Aktiver Scheinwerfer
High-end-Lösung
Markierendes Licht Verkehrssituationsab-
hängiges Licht („blend-
freies Fernlicht“)
Kommunikations-
funktion
Aktiver Scheinwerfer
Economy-Lösung
Fahrerspezifisches
Licht
Straßensituations-
abhängiges Licht
Display-
Lichtfunktion
AFS-Lichtfunktionen
(ab 2006)
Stadtlicht Autobahnlicht Schlechtwetter-
licht
Landstraßenlicht
„Pre-AFS“-Licht-
funktionen (seit 2003)
statisches Kurvenlicht dynamisches Kurvenlicht
Basislichtfunktionen Abblendlicht Fernlicht Positionslicht
Tagfahrlicht Nebellicht
Abbildung 6.10: „Bausteine der Scheinwerferlichtfunktionen“
In Abbildung 6.10 werden die „Bausteine der Scheinwerferlichtfunktionalitäten“ dargestellt.
Angefangen vom „Fundament“, gebildet durch bisherige Scheinwerferlichtfunktionen, wird,
durch die Erweiterung bestehender Gesetzgebung und die Erarbeitung neuer Zulassungsvor-
schriften, es möglich, weitere Lichtfunktionen hinzuzufügen bzw. aufzusetzen. Neben den
„Pre-AFS“- und AFS-Lichtfunktionen könnte es z.B. zwei Ausbaustufen der aktiven Schein-
werferfunktionen geben. Eine Economy-Lösung und eine High-end-Lösung. Mit wachsender
Anzahl an Bausteinen der Lichtfunktionen kommt man dem Ziel einer optimalen Ausleuch-
tung des Verkehrsraums bei minimaler Blendung anderer Verkehrsteilnehmer stetig näher.
Die aktiven Scheinwerferlichtfunktionen werden hier im Anschluss in ihrer Lichtfunktion
beschrieben und analysiert.
U
NTERSUCHUNG
DER
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
P
ROTOTYPEN
226
Fahrerspezifisches Licht
Die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze am horizontalen Ast, die Schärfe der HDG am 15°
Anstieg und die Leuchtdichteverteilung des Lichtverteilungs-Vorfeldes, die Betonung der
eigenen Verkehrsraumausleuchtung, die Betonung der Randausleuchtung, eine Variation der
Breite der Ausleuchtung, das Maß der Gleichmäßigkeit der Helligkeit, die örtliche Homogeni-
tät, die zeitliche Homogenität im Begegnungsverkehr oder bei Tunnelein- und Ausfahrten,
allgemein das Gesamterscheinungsbild der Lichtverteilung kann über die fahrerspezifischen
Lichtfunktionen variiert werden. Erste Ergebnisse der Bewertung der fahrerspezifischen
Lichtverteilungen sind in [8.7, REINSDORF, 2004] nachzulesen. Dennoch sind hier in
Zukunft noch weitere Untersuchungen in einem statischen und dynamischen Umfeld erforder-
lich.
Situationsabhängiges Licht
Die bisherigen Scheinwerferlichtverteilungen (Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht), die „Pre-
AFS“-Lichtverteilungen (statisches und dynamisches Kurvenlicht), die AFS-Lichtvertei-
lungen (Autobahnlicht, Landstraßenlicht, Stadtlicht, Schlechtwetterlicht), die dynamische
Leuchtweitenregelung und ihre Erweiterung zum Berg- und Talfahrlicht sind in Kapitel 6.1.1
vorgestellt worden, ebenso die kollektive Verkehrsraumausleuchtung.
Markierendes Licht
Markieren kann von einzelnen Objekten oder von mehreren Objekten erfolgen. Dabei lässt
sich die Form der Markierung variieren. Die Begrenzung der Markierung im Vergleich zum
Umfeld erfolgt scharf in hohem Kontrast. Das Markieren kann durch ein gezieltes Beleuchten
(positiver Kontrast) oder durch ein gezieltes Abschatten (negativer Kontrast) oder durch
Blinken (variierende Leuchtdichte bzw. Leuchtdichtesprünge in der Übergangszone der
Tarnung) umgesetzt werden.
Bei der Markierungsfunktion ist eine sehr gute Sensorik erforderlich, die besser sehen und
auswerten kann als der Mensch. Dadurch wird der Nutzen durch eine gezielte Markierung und
Anleuchtung und damit der erzielbare Sichtweite- und Verkehrssicherheitsgewinn maximiert.
Die Latenzzeit der Sensorobjekterkennung, die Auswertung und Ansteuerung der Scheinwer-
fereinheit muss möglichst kurz sein, damit eine Verkürzung des Anhalteweges durch eine
reduzierte Reaktionszeit und eine frühzeitige Reaktion auf Gefahrensituationen erfolgen kann.
Für eine Klassifizierung der Objekte ist es erforderlich, eine Unterscheidung vorzunehmen
zwischen relevanten und irrelevanten Sehobjekten. Ein zu häufiger Fehlalarm verärgert den
Fahrer und lässt an der Zuverlässigkeit des Systems zweifeln, wodurch eine verspätete
Reaktion des Fahrers mit fatalen Unfallfolgen die Konsequenz sein kann. Die rechtlichen
Fragen und eine gesetzliche, potentielle Schadensabsicherung, insbesondere für den US-
Markt ist dabei unerlässlich. Unterscheidungskriterium für die Relevanz von Sehobjekten
kann deren Lage relativ zur eigenen Fahrspur, sowie die eigene Fahrzeugbewegungstrajekto-
rie und gleichzeitig die Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit und Relativrichtung der
Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer sein. Stehende Objekte oder Objekte mit einer
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
DER
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ROTOTYPEN
227
geringeren negativen bzw. einer positiven Relativgeschwindigkeitsdifferenz zum eigenen
Fahrzeug (Objekte sind etwas langsamer oder schneller als man selbst) werden nicht markiert.
Insbesondere von Objekten, die stehen (verlorene Ladung, Felsbrocken, umgestürzte Bäume
etc.) oder eine hohe negative Geschwindigkeitsdifferenz zum eignen Fahrzeug haben (auf der
Autobahn, in Nebelsituationen, Fahrradfahrer und Fußgänger am Fahrbahnrand, etc.) oder die
eigene Fahrzeugtrajektorie annähernd zeitgleich in naher Zukunft schneiden (Kreuzungen,
spielende Kinder, unaufmerksame Fahrradfahrer etc.) sind von der fahrzeugeigenen Sensorik
zu detektieren und möglichst schnell zu markieren.
Displaylicht
Bei der Displayfunktion kann die Darstellungsart der Objekte (Pfeile, Buchstaben, Text),
deren Ort und Lage, Kontrast und Ablesbarkeit untersucht werden.
Die dargestellte Displayfunktion kann in positivem und in negativem Kontrast dargestellt
werden. Alternativ sind auch ein Blinken relativ zum Umfeld oder zwischen der maximalen
und minimalen Intensität möglich. Je nach verwendetem Vorfeldgradienten kann eine
Darstellung in positivem oder in negativem Kontrast sinnvoll sein. Bei positivem Kontrast,
d.h. heller Schrift innerhalb eines dunkleren Umfelds, können keine Objekte durch die sonst
erforderliche lokale Dunkeltastung verdeckt werden. Im Normalfall der Darstellung ist eine
lokale Dunkeltastung eigentlich von untergeordneter Gefahr bezüglich des Verdeckens, da das
Fahrzeug sich im Normalfall relativ zur Fahrbahnoberfläche bewegt, sodass statische Objekte
oder Objekte mit einer geringen Absolutgeschwindigkeit nur kurzzeitig verdeckt werden. In
der Kombination des DMD-Scheinwerfers mit konventionellen Scheinwerfern ist auch ein
positiver Kontrast zu empfehlen, da dieser besser ablesbar ist. Der negative Kontrast in der
Displaydarstellung hat auch den Nachteil, dass sich der Fahrer aufgrund eines relativ hellen
Vorfeldes an eine erhöhte Adaptationsleuchtdichte anpasst.
Die Displayfunktion ist auch abhängig von den Eigenschaften der Projektionsfläche, d.h. dem
Reflexionsgrad der Fahrbahnoberfläche. Je nach Einstrahlwinkel des eigenen Lichtes wird es
unterschiedlich gut an den Flanken der Körnung der Asphaltdecke zurückgeworfen oder an
einer annähernd diffus streuenden Betonschicht reflektiert. Dadurch ist auch zu erklären,
warum die Displayfunktion bei Nacht so gut sichtbar ist (u.a. auch wegen der geringen
Umfeldhelligkeit durch die Sterne und den Mond). Bei einer Straßenbeleuchtung wird der
Kontrast reduziert, da Teile des annähernd senkrecht oder unter relativ großen Winkeln
einfallenden Lichtes der Straßenlaternen auch in Richtung des Fahrers reflektiert werden und
so zu einer Kontrastverflachung der dunkel dargestellten Information durch eine erhöhte
Objektleuchtdichte (bei negativem Kontrast) führen. Bei Gegenverkehr wird das Licht des
entgegenkommenden Fahrzeugs eher zu diesem zurückreflektiert, wenn es sich um eine
trockene, nicht glänzende Fahrbahnprobe handelt.
Bei sehr schlechtem Wetter, d.h. bei einem geschlossenen Wasserfilm auf der Fahrbahn, ist
die Information nicht mehr sichtbar, da praktisch das gesamt Licht der Displaydarstellung
vom eigenen Fahrzeug wegreflektiert wird, und evtl. in die Augen des entgegenkommenden
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NTERSUCHUNG
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EISTUNGSFÄHIGKEIT
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ROTOTYPEN
228
Fahrers trifft. Dieser Effekt tritt bei diesen Witterungsbedingungen allerdings auch bei
konventionellen Scheinwerfern auf.
Bei hohen Umfeldhelligkeiten, d.h. bei Tag- und Dämmerungssituationen, ist die Display-
funktion ebenfalls nicht ablesbar, da die Umfeldhelligkeit zu groß ist und die Lichtstärke des
Scheinwerfers nicht ausreicht, um einen erkennbaren positiven (helles Objekt) oder negativen
Kontrast (aufgehelltes Umfeld) darstellen zu können. Daher sind Displays innerhalb des
Fahrzeugs in den Ausführungsformen Head-up- oder Head-down-Display wenigstens für die
Tagfahrten erforderlich.
Vorteile der bei Nacht mit dem aktiven Scheinwerfer erzeugten Displayfunktion sind neben
dem größeren Gesichts- und Darstellungsfeld, der fast identischen Blickrichtung zwischen
normaler Sehaufgabe und der Darstellung der Displayinformationen geringe Adaptations- und
Akkommodationserfordernisse und eine minimale Ablenkung des Fahrers durch die Informa-
tionsflut auf den Cockpit-Displays. Dadurch können der Fahrkomfort und die Verkehrssi-
cherheit erheblich gesteigert werden.
6.7 Vergleich mit Konkurrenztechnologien – Head-up-Display
Beim Head-up Display von BMW schwebt eine virtuelles Bild in einer Projektionsentfernung
von ca. 2,20m vor dem Fahrer, wobei die projizierte Bildgröße ca. 180 x 90 mm² (Breite x
Höhe) beträgt [8.2, GUNNAR, 2004]. Die Baugröße des Projektors ist mit 28 x 18 x 18 cm³
relativ groß, da der Strahlengang mehrfach gefaltet werden muss, um die gewünschte
Projektionsentfernung zwischen Betrachter und LCD-Display zu erzielen. Als Display wird
ein transmittives Low-Temperature-p-Si-TFT-Farb-LCD mit 360 x 180 Bildpunkten und
einer 1,6 Zoll-Diagonale eingesetzt. Das LC-Display wird mit einem Array von 128 LEDs
hinterleuchtet. Diese werden in Abhängigkeit von einem Vorfeldsensor und dessen detektier-
ter HUD-Hintergrund-Bildhelligkeit in ihrer Leuchtdichte automatisch nachgeregelt. Die
Maximalhelligkeit des HUD-Displays wird mit ca. 7000 cd/m² (für die Standardfarbe gelb)
angegeben und ist damit für fast alle existierenden Lichtbedingungen ausreichend. Als Farben
werden gelb, orange, grün und rot dargestellt. Über 3 asphärische Spiegel wird die Wölbung
der Windschutzscheibe ausgeglichen, sodass der Betrachter ein verzerrungsfreies Bild
wahrnehmen kann. Die Vorteile des HUD werden mit einem ca. auf ein Drittel reduzierten
Blickwinkel von dem vorausfahrenden Fahrzeug auf eine konventionelle Instrumententafel
angegeben. Die Akkommodierung des Auges (Fokussieren des Auges) ist wesentlich
geringer, da das HUD-Bild in 2,2m Entfernung vom Betrachter steht. Die Adaptierung des
Auges (Anpassung der Augenempfindlichkeit auf die Bildhelligkeit) ist wesentlich geringer,
da die Bildhelligkeit des HUD nachgeregelt wird und der Helligkeitsunterschied zwischen der
relativ hellen Fahrbahn und dem relativ dunklen Armaturenbrett entfällt. Diese ergonomi-
schen Vorteile werden mit einer reduzierten Ablesezeit von 2s auf 1s im Vergleich zu
konventionellen Instrumenten angegeben. Das entspricht ca. 17m zurückgelegte Distanz bei
60km/h Fahrtgeschwindigkeit. Die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort können durch das
System entsprechend gesteigert werden. Gegenüber dem HUD hat der aktive Scheinwerfer
mit seiner Displayfunktion folgende Vor- und Nachteile:
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Vorteile:
1. Sehr großes Bildfeld möglich.
2. Zusatzlichtfunktion der aktiven Scheinwerfer ohne weitere Hardware.
3. Es ist kein Bauraum im Fahrzeugarmaturenbrett vorzusehen.
4. Die Akkommodierung und Adaptierung des Fahrers ist ideal auf Fernsicht und die
Fahrbahnhelligkeit eingestellt. Ein Abwenden des Blickes von der Fahrbahn ist nicht
mehr erforderlich, da alle wesentlichen Informationen in der Lichtverteilung darge-
stellt werden.
5. Die dargestellten Informationen sind auch bei Gegenverkehr und in gewissen Grenzen
bei allgemeiner Straßenbeleuchtung gut zu erkennen.
6. Die dargestellte Information muss nicht aufwändig optisch korrigiert werden, um ver-
zerrungsfrei über die Windschutzscheibe dargestellt werden zu können.
7. Verkehrsobjekte werden durch die dargestellte Information nicht verdeckt, da diese
direkt auf der Fahrbahnoberfläche bzw. dem Objekt dargestellt wird.
8. Es treten keine Parallaxe-Fehler auf und der Fahrer kann unter keinen Umständen das
Darstellungsfeld der Displayfunktion verlassen.
Nachteile:
1. Die gesetzliche Zulassungsfähigkeit der Displayfunktion ist als kritisch einzustufen,
da durch sie andere Verkehrsteilnehmer wegen der auf die Straße projizierte Informa-
tion abgelenkt werden könnten (Kreuzungssituation, Missbrauch als Fernseh- / Inter-
net-Projektionsfläche)
2. Die Displayfunktion ist auf Nacht- und Dämmerungsfahrten beschränkt, da sonst der
zur Ablesung der Information erforderliche Kontrast durch die aktiven Scheinwerfer
nicht erzeugt werden kann.
3. Die Displayfunktion ist bei Regenfahrten, insbesondere bei geschlossenen Wasserfil-
men, Einschränkungen unterworfen, da das Scheinwerferlicht auf dem Wasserfilm to-
talreflektiert und vom Fahrer weggelenkt wird und daher nicht oder kaum ablesbar ist
4. Die Displayfunktion variiert in ihrer dargestellten Bildhelligkeit je nach Fahrbahnbe-
lagfarbe und –Rauhigkeit (grob gilt: je rauer, desto besser ist die Rückreflexion)
Eine genauere Betrachtung der Displayfunktion ist in [8.8, KAUSCHKE 2003-8] nachzule-
sen.
6.8 Temperaturuntersuchungen der Konzepte
Bei den aktiven Scheinwerfern sind thermische Randbedingungen einzuhalten. Neben den
Kurzbogenlampen, d.h. UHP-Lampen, Ultra High Performance-Lampen, sind die „Lichtventi-
le“ bei subtraktiven Lichtverteilungserzeugungsarten temperaturkritische Bauteile.
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230
Bei den UHP-Lampen muss durch die Umgebungstemperatur neben dem Lampenkolben und
der Elektrodenenden auch der an den Lampenkolben gekittete Reflektor gekühlt werden. Die
Temperatur des Lampenkolbens hat maßgeblichen Einfluss auf den in weiten Grenzen
variierenden Lampenkolbenfülldruck und das Kalt- bzw. Warm-Zündverhalten der UHP-
Lampe. Kritisch ist das Warm-Zündverhalten von UHP-Lampen, bei denen durch eine
Zusatzspule freie Elektronen von der Kathode zur Anode gelenkt werden, damit ein Lichtbo-
gen gezündet werden kann. Innerhalb des Lampenkolbens muss ein thermodynamischer
Kreisprozess stattfinden, damit die Schwärzung des Lampenkolbens minimal gehalten und der
Elektrodenabtrag ebenfalls gering gestaltet werden kann. Da die Elektroden nahe an ihrem
Schmelzpunkt betrieben werden, hat die Einhaltung der Lampenumgebungstemperatur einen
positiven Einfluss auf die Lebensdauer der Lampe. Die Lampenzündungen sind eher schäd-
lich für die Lebensdauer der Lampe, da diese zu einem Elektodenabtrag führen.
Bei den „Lichtventilen“ DMD-Array, LCoS-Array bzw. LCD-Array muss ein Teil der
zugeführten Lichtleistung abgeführt werden, da das Licht in den Spiegel-Arrayspalten des
DMD- und des LCoS-Arrays absorbiert und in Wärme gewandelt wird. Das LCoS-Array ist
thermisch günstiger, da es einen höheren Flächennutzungsgrad (Ansteuerelektronik und
Zuleitungen liegen hinter den Spiegelelektroden) als ein LCD-Display hat und den Lichtstrom
dunkelgeschalteter Pixel nicht absorbiert, sondern in den Einkoppelstrahlengang zurückreflek-
tiert. Bei allen Lichtventilen ist ein geringer Wärmeübergangskoeffizient vom Array zum
Gehäuse bzw. zur umgebenden Luft wünschenswert, damit die Array-Temperatur unter 65°C
gehalten werden kann. Insbesondere beim DMD-Array kann dessen Lebensdauer bei erhöhter
Temperatur und ungünstig gewähltem Duty Cycle, d.h. Hell- bzw. Dunkeltastung, negativ
beeinflusst werden, da dann die Torsionsgelenke der Mikrospiegel sich dauerhaft verformen
können [8.2, TI, 2001-2]. Durch Temperaturmessungen in den als Ausgangsprodukten
dienenden Videoprojektoren und in den aufgebauten Versuchsträgern wurde sichergestellt,
dass die Soll-Betriebstemperatur der Lichtventile möglichst nicht überschritten wird. Die
Temperaturmessungen im Betrieb und bei den Versuchsträgern erfolgt mit Temperatursenso-
ren vom Typ K (NiCr-Ni). In der Nähe der UHP-Lampe wurden Temperaturen von ca. 160°C
gemessen. Um genauere Aussagen über die Verteilung der Temperatur im Versuchsaufbau zu
erhalten, wurde eine Thermografie-Kamera im kurzwelligen Infrarot-Bereich eingesetzt. Teile
der Temperatur-Messung sind in Abbildung 6.11 zu sehen. Nachteil der Kurzwellen-Infrarot-
Thermografie-Kamera ist die Erfassung der Temperatur nur auf der Außenseite des verglasten
DMD-Chips, der in einer Schutzgasatmosphäre betrieben wird, da das Glasfenster für
kurzwellige Infrarotstrahlung nicht transmittiv ist. Dadurch ist nur eine Temperaturaussage
über die Oberfläche des DMD-Chip-Gehäuses möglich. Die DMD-Chip Temperatur im
Innern wäre interessant gewesen, da in den aktiven Scheinwerferversuchsträgern gezielt mit
einer inhomogenen Ausleuchtung gearbeitet wurde, wobei einer der Brennpunkte des
optischen Systems nahe der DMD-Chip-Oberfläche gelegt wurde, damit die erforderlichen
hohen Leuchtdichten auf dieser für die weitere optische Abbildung erzielt werden konnten.
Daher wurden in den Versuchsaufbauten relative, indirekte Temperaturaussagen zu handels-
üblichen, seriendimensionierten und praxiserprobten Original-Videoprojektoren herangezo-
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gen, um die temperaturkritischen Komponenten des Versuchsaufbaus nicht zu schädigen, zu
überlasten bzw. nicht außerhalb der spezifizierten Grenztemperatur zu betreiben. Neben der
IR-Strahlungs-Undurchlässigkeit des Glasfensters des DMD-Chips ist das Glasfenster
interferenzbeschichtet, sodass auch UV-Strahlung nicht auf den DMD-Chip gelangen kann,
wodurch dessen Lebensdauer erhöht und dessen thermische Belastung reduziert wird.
Zusätzlich zum Temperaturmanagement im Versuchsaufbau musste der Wärmeaustausch zur
Umgebungsluft des Scheinwerfers gewährleistet sein, damit es zu keinem Wärmestau oder
einer Überhitzung kam. Feuchtigkeits- und Partikeleintrag ist bei den Kühlluftströmen dabei
zu vermeiden. Außer dem DMD-Array stellen die UHP-Lampe, das LCoS- bzw. LCD-Array,
das AMD-Array, aber auch die Scannermotoren temperaturempfindliche Bauelemente dar.
Abbildung 6.11: Aufnahme der UHP-Lampe und der Temperaturverteilung auf dessen
Gehäuse bzw. im Gesamtaufbau; Mitte: Umfeld des DMD-Arrays
6.9 Vibrationsanalyse des DMD-Scheinwerferkonzepts
Aus der Literatur [8.2, TI, 2001-1], [8.2, TI, 2001-2] sind Vibrationsuntersuchungen bekannt.
Dabei werden die Mikrospiegel, bedingt durch ihre geringe Masse, auch gegen mechanische
Schockbelastungen als sehr vibrationsrobust bezeichnet. Die geringe Masse der Mikrospiegel
wird durch zwei Torsionsfeder-Gelenkbänder gehalten, sodass eine gefederte Masse vorliegt,
die in ihren Endlagen durch Micro-tipps abgefedert wird. Die Mikrospiegel werden durch ein
äußeres elektrostatisches Feld ausgelenkt.
Die in den Fahrversuchen aufgetretenen Unsauberkeiten des DMD-Scheinwerfers (Grizzeln
im Vorfeld der Lichtverteilung) durch stärkere Erschütterungen (Schläge durch Löcher und
Vertiefungen in der Fahrbahn) konnten auf dem Schwingungsmessstand nicht nachvollzogen
werden. Als erste Gegenmaßnahme wurde eine zusätzliche mechanische Abstützung des
DMD-Kühlkörpers vorgenommen. Möglicherweise traten dadurch kleinere Unsauberkeiten
im Vorfeld der Lichtverteilung beim Vibrationsmessversuch auf. Interferenzerscheinungen
mit der Bildwiederholrate und der Fahrbahnbewegung könnte eine weitere mögliche Ursache
für die in den Fahrversuchen aufgetretenen Lichterscheinungen sein. Dennoch sind diese
Unsauberkeiten nur von geringem Ausmaß, da sie u.a. im Mittel- und Fernfeld der Lichtver-
teilung durch den Fahrer nicht mehr aufgelöst werden können bzw. dort nicht auftreten. Bei
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einer Kombination des DMD-Scheinwerfers mit einem konventionellen Scheinwerfer sind
diese Effekte nicht mehr wahrnehmbar.
Zur Untersuchung der Unsauberkeiten in der Lichtverteilung wurde der erste DMD-
Scheinwerfer auf dem Schwingungsprüfstand der Hella KGaA Vibrationsuntersuchungen
unterzogen. Der DMD-Spiegelarray-Scheinwerfer wurde auf einen elektromagnetisch
angeregten Schwingungsprüfstand gestellt, wobei die Resonanzfrequenzen der Teilkompo-
nenten des Aufbaus von 0 Hz bis 200 Hz ermittelt wurden. Bei dem Versuchsaufbau wurde
darauf geachtet, dass eine ähnliche Vorneigung des Scheinwerfers wie später am Fahrzeug
eingestellt war. Der Aufbau wurde mit 0,5 g beschleunigt.
Die Resonanzen sind stark von den Einzelkomponenten des Systems, deren steife oder
elastische Aufhängung und deren relative Position des Schwerpunktes zur Aufhängung
abhängig. Wurde das Auskoppelobjektiv z.B. durch die Feldlinse abgestützt, so änderten sich
die Schwingungsformen des Aufbaus. Ein Schwingen der Komponenten konnte über eine
Blitzlichtlampe teils visualisiert werden. Das Scanning-Laser-Vibrometer könnte bei zukünf-
tigen Messungen eingesetzt werden.
Nachdem die UHP-Lampe und alle Linsen entfernt waren, wurde anstelle der UHP-Lampe ein
roter Laser mit 632nm Wellenlänge als Lichtquelle eingesetzt. Sein Licht wurde über den
Kaltlichtspiegel auf den DMD-Chip gelenkt. Durch das kohärente Licht des Lasers treten an
den Mikrospiegeln Interferenzen auf, sodass ein Beugungsgitter erzeugt wird. Dennoch ist das
Maximum der Lichtintensität relativ gut zu erkennen. Mit der Laser-Lichtquelle wurde der
Aufbau mit 1g im Frequenzband von 0 – 100 Hz beschleunigt. Folgende Schwingungsmoden
traten auf:
Tabelle 6.7: Schwingungsmoden und deren Ursache beim DMD-Scheinwerferprototyp (I)
Anregungs-
frequenz
Schwingungsform mögliche Ursache
22,2 Hz diagonal DMD-Mikrospiegel?, kein steifer Aufbau von Laser und
Gesamtanordnung?
27 Hz horizontal seitliches Verwinden der DMD-Mikrospiegelhalterung
86 Hz parallelogrammförmig Überlagerung von DMD-Mikrospiegel und DMD-
Mikrospiegelhalterung-Horizontalschwingungen?
Die Lagerung des Lasers könnte noch nicht ideal gewesen sein, da auch hier Schwingungen
auftreten können. Die Einflüsse des Kaltlichtspiegels sind ebenfalls weiter einzugrenzen.
Bei Serien-Scheinwerfern wird die Resonanzsuche mit 1g durchgeführt. Die Scheinwerferher-
steller beschränken sich immer mehr auf die Prüfung eines Frequenzbereichs von 0 bis 100
Hz (teils bis 200 Hz) bei neuen Scheinwerfergehäusen. Dabei wird der Bereich von 20 bis 40
Hz als kritisch angesehen.
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Aufgabe für weitere Vibrationsuntersuchungen ist die zusätzliche Versteifung des Aufbaus,
damit mögliche Fehlerquellen, die durch den Messaufbau hervorgerufen werden, ausgeschlos-
sen werden können. Die Vibrationsuntersuchungen des DMD-Chips ist dabei von besonderem
Interesse [8.2, TI 2001-2]. Vom Fraunhofer Institut in Oberpfaffenhofen wurden hierzu
Simulationen im Auftrag der BMW AG durchgeführt, aber nicht veröffentlicht [8.2, EN-
DERS, 2001]. Erst im zweiten Schritt sind die Untersuchungen für das gesamte optische
System weiter zu verfolgen. Um die Messergebnisse und Bewegungen besser verfolgen zu
können, sollte statt der Blitzlichtlampe eine Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt werden,
damit die Bewegungen des Aufbaus und der Komponenten leichter analysiert werden können.
Bei einer gezielten Auswertung der DMD-Mikrospiegelbewegung sind erhöhte Anforderun-
gen an den Abbildungsmaßstab, die Blendenzahl und die Ausleuchtung des Mikrospiegelar-
rays zu stellen, damit die Mikrospiegel und deren Beschleunigungen und Bewegungen im
Mikrometerbereich in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz aufgelöst werden können.
Abbildung 6.12: Vibrationsuntersuchung – Messstand
Abbildung 6.13: Vibrationsuntersuchung mit einem Laser, mit dem Umlenkspiegel der
Einkopplung und dem DMD-Ständer (ohne Einkopplung und ohne Auskopplung )
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Ein steiferer Gesamtaufbau, eine robustere DMD-Chip-Aufhängung und eine vibrationsstabi-
lere Auskoppeloptik wären hierzu erforderlich. Die Verformung und ein mögliches Springen
des Lichtbogens ist dann ebenfalls zu untersuchen. Vorab muss allerdings sichergestellt
werden, dass der Lampenkolben, die Elektroden, die Zündspule, die Kittung zwischen
Lampenglaskolben und Glasreflektor den erhöhten Beschleunigungen standhalten und dass
der Glaskolben bei Betriebstemperatur-Lampenkolbendruck für die Anforderungen einer
Resonanzuntersuchung und einer Vibrationsschockbelastung ausreichende Reserven besitzen.
6.10 Aufbau und Fertigung der innovativen Optikkonzepte
Für die Umsetzung der Prototypen des aktiven Scheinwerfers in großserientaugliche Produkte
ist eine Toleranzuntersuchung der Positions- und Winkelabhängigkeiten des Scheinwerfer-
aufbaus, sowie von deren Abhängigkeiten vorzunehmen. Der Abstimmungs- und Justageauf-
wand für die Serienausführung muss dabei auf ein Minimum reduziert werden. Die Ferti-
gungstechnologie für den mechanischen Aufbau und die optischen Komponenten sind im
Rahmen einer Untersuchung der Kostenschwerpunkte der Einzelteile, der Fertigung und
Montage des Aufbaus zu optimieren. Die Risiken des Kapitels 5.8 sind dabei u.a. zu beachten
und zu minimieren. Nähere Details zur Konstruktion und Dimensionierung der aktiven
Scheinwerfer sind den Unterkapiteln der Kapitel 5.2 bis 5.5 zu entnehmen.
6.11 Gesamtbewertung der aktiven Scheinwerferkonzepte
Nachdem die Bewertung der aktiven Scheinwerfer nach lichttechnischen, technologischen,
physiologischen, wirtschaftlichen und gesetzlichen Kriterien in der Diplomarbeit [8.7,
MÜLLER, 2004] und in Abbildung 5.36, S.198, beschrieben wurden, soll hier zusammenfas-
send, auch basierend auf den Ergebnissen der Diplomarbeit von [8.7, REINSDORF, 2004],
eine Gesamtbewertung vorgenommen werden.
Neben den Kriterien aus Tabelle 5.22, S.197, kann eine wirtschaftlich-technische Bewertung,
Abbildung 6.14, vorgenommen werden. Als Bewertungskriterien werden wirtschaftliche und
technische Kriterien herangezogen, wobei die Bewertung 4 die beste und die Bewertung 0 die
schlechteste Bewertung darstellt. Bei der wirtschaftlichen Stärke sind wirtschaftliche und
gesetzliche Kriterien herangezogen worden [vgl. 9.1 Anhang A.1]. Bei der technischen Stärke
sind technologische, lichttechnische und physiologische Kriterien zugrunde gelegt worden.
Oben rechts ist das Optimum aus wirtschaftlicher und technischer Sicht dargestellt. Diesem
Optimum kommt das Vario-Xenon-System mit der Einschränkung von „nur“ 5 Lichtvertei-
lungen und seiner technologischen Reife als Serienprodukt am Nächsten.
Über die Viertel-Kreis wird angedeutet, wie nahe die einzelnen Lösungen dem Optimum in
wirtschaftlicher und technischer Sicht kommen.
Mit den aktiven Scheinwerfersystemen wird eine neue Klasse von Scheinwerfersystemen
begründet, die bis zu z.B. 9 Lichtverteilungen erzeugen können bzw. per Software frei
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(innerhalb maximal möglicher Lichtverteilungen: Fernlicht mit Streubreite des Nebellichts)
programmierbar sind. Der DMD-Scheinwerfer hat dabei aus technischer Sicht einen deutli-
chen Vorsprung vor dem scannenden Scheinwerfer, der aus wirtschaftlicher Sicht etwas mehr
überzeugt. Da die wirtschaftlichen und technischen Kriterien gleichgewichtet wurden, kann
der DMD-Scheinwerfer insgesamt mehr überzeugen. Das bestätigen auch die bisherigen
Prototypen, wobei der DMD-Scheinwerfer sich als einziger bereits im A-Muster-Stadium in
ein Serienscheinwerfergehäuse integrieren lässt. In Kombination mit einer konventionellen
Xenon-Lichtverteilung würde der DMD-Scheinwerfer das Optimum mit bisher verfügbarer
Technologie darstellen. Dadurch verbessert sich auch dessen Position in wirtschaftlicher
Hinsicht, da die konventionellen Xenon-Lichtverteilungen eine Grundlichtverteilung energie-
effizient auf die Straße projizieren und die relativ kostengünstigen und lampenwirkungsgrad-
effizienten D2S-Lampen einsetzen. Der LCoS-Scheinwerfer ist in dem bisher aufgebauten
Konzeptstadium durch seine geringe Beleuchtungsstärke, den geringen Kontrast und den
relativ hohen optischen Aufwand weniger überzeugend.
Abbildung 6.14: Wirtschaftlich-technische Bewertung der aktiven Scheinwerferprinzipien im
Vergleich zu einem Vario-Xenon-AFS-Scheinwerfersystem [nach 8.7, MÜLLER, 2004]
Zusammenfassend wurde mit dem DMD aktiven Scheinwerfer ein neuer Meilenstein in der
Scheinwerferlichttechnik der Zukunft gesetzt, wobei insbesondere dessen Variabilität, dessen
hohe Zahl an Lichtfunktionen, dessen lichttechnische Leistungsfähigkeit, dessen technologi-
sche Reife und die mögliche Integration in ein Serien-Scheinwerfergehäuse zu überzeugen
wissen. Über das AMD-Array und die Variabilität des scannenden Scheinwerfers konnten
neue, energieeffiziente Ansätze der Lichtstrom-Umverteilung aufgezeigt werden. Das
theoretische Optimum des idealen aktiven Scheinwerfers ist in dieser Arbeit beschrieben,
wodurch ein Leitbild für zukünftige Scheinwerferentwicklungen herausgearbeitet wurde. Eine
Abschätzung seiner Bewertung ist in Abbildung 6.14 vorgenommen worden. LED-
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Scheinwerfer (in dieser Arbeit weitestgehend ausgeklammert (noch relativ geringe Leucht-
dichte)) wurden in ihrem jetzigen Entwicklungsstand (09.2006) auch in ihrer technischen und
wirtschaftlichen Stärke bewertet und eingeordnet.
6.12 Bewertung der aktiven Scheinwerfer im Vergleich zu AFS-Scheinwerfern
Scheinwerferlichtverteilungen sind gekennzeichnet durch die widersprechenden Anforderun-
gen nach maximaler eigener Erkennbarkeitsentfernung und optimaler Ausleuchtung. Diese
stehen der minimalen Blendung und Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer gegenüber.
Konventionelle Scheinwerfer lösen diesen Widerspruch durch die bi-funktionalen Lichtfunk-
tionen Abblendlicht und Fernlicht, wobei sich deren Nutzungsanteile aufgrund des relativ
hohen Verkehrsaufkommens in Deutschland bzw. in Europa zu Gunsten des Abblendlichts
(ca. 95% relative Zeitdauer) verschoben hat. AFS-Scheinwerfer, vgl. Tabelle 6.8, verbessern
die Sichtweite für den Fahrer, da sie über weitere Lichtfunktionen, wie dynamisches und
statisches Kurvenlicht, Stadtlicht, Autobahnlicht, Landstraßenlicht, Schlechtwetterlicht
verfügen und das einen Kompromiss darstellende Abblendlicht, je nach Straßen-, Fahr- und
Witterungssituation in Richtung des Fernlichts erweitern. Dennoch sind diese AFS-
Scheinwerfer weiterhin vom Optimum einer für andere Verkehrsteilnehmer blendfreien
Fernlichtausleuchtung entfernt. Aktive Scheinwerfer, ebenfalls Tabelle 6.8, lösen diesen
Zielkonflikt indem sie hohe Freiheitsgrade in der Modellierung der Lichtverteilung aufweisen.
Neben zusätzlichen Lichtfunktionen, wie Berg- und Talfahrlicht oder straßensituationsabhän-
giger Ausleuchtung, bieten sie Lichtfunktionen, die gekoppelt mit der fahrzeugeigenen,
zukünftigen oder teilweise bereits existierenden Sensorik, dem Navigationssystem oder
adhoc-Netzwerken [8.4, ROSLAK, 2005], einer optimalen Ausleuchtung sehr nahe kommen.
Dabei kann dieses Optimum mit zwei Ansätzen verfolgt werden, dem Markierenden Licht,
basierend auf dem Abblendlicht, das zonal erweitert wird, oder alternativ der kollektiven
Verkehrsraumausleuchtung, die zonal andere Verkehrsteilnehmer in einer aktiven Fernlicht-
ausleuchtung ausspart und dadurch deren Blendung minimiert. Beide Ansätze werden in
Kapitel 6.1.1 mit einander verglichen und diskutiert.
Hauptvoraussetzung für eine optimale Nutzung dieser aktiven Lichtfunktionen ist eine genaue
und weitreichende Erfassung des Fahrzeugvorfeldes durch mehrere Sensoren, die über
Sensorfusion vereint, ausgewertet und über das Fahrzeugbordnetz dem aktiven Scheinwerfer
zur Verfügung gestellt wird. Zusätzliche Lichtfunktionen, die nur mit einem aktiven Schein-
werfer realisiert werden können sind das fahrerspezifische Licht und die Displayfunktion,
wobei letztere starken gesetzlichen Restriktionen und gewissen Einschränkungen bei den
Umfeldbedingungen unterworfen ist bzw. sein wird; vergleiche hierzu auch Kapitel 6.1.1 und
2.11.3 bzw. 3.3.5.
Zusammengefasst stellt der aktive Scheinwerfer eine neue, deutlich gegenüber bisheriger
Scheinwerfertechnik verbesserte Lichtverteilungs-Formungseinheit dar, deren Potenziale des
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Sicherheitsgewinns und der Komfortsteigerung in hohem Maße von der fahrzeugeigenen
Sensorik und Vernetzung im Fahrzeug abhängt.
Tabelle 6.8: Vergleich der AFS-Scheinwerfer mit dem aktiven DMD-Scheinwerfer
Bewertungskriterien AFS-Scheinwerfer Aktiver Scheinwerfer (am Beispiel des
DMD-Scheinwerfers)
Markteinführung ab 2006 ab ca. 2012
Lichtquelle D1S, D2S (D3S; D4S)-Lampe UHP-Lampe; D2S kurz, LED-Array
konventionelle
Lichtfunktionen
Abblendlicht / Fernlicht, Nebel-
licht, Tagfahr- u. Positionslicht
Abblendlicht / Fernlicht, Nebellicht,
Tagfahrlicht und Positionslicht
Lichtfunktionen AFS-Lichtfunktionen, d.h.:
dynamisches und statisches
Kurvenlicht / Abbiegelicht
[„ Pre-AFS“]
Autobahnlicht [AFS]
Schlechtwetterlicht [AFS]
Landstraßenlicht [AFS]
Stadtlicht [AFS]
Links- / Rechtsverkehr
(Touristenlösung)
AFS-Lichtfunktionen und zusätzliche
Aktive Lichtfunktionen, d.h.:
Markierendes Licht [HF]
Kollektive Verkehrsraumausleuchtung [HF],
Berg- und Talfahrlicht [HF],
Fahrerspezifisches Licht [HF],
Displaylicht [NF],
Kommunikationsfunktion [NF]
Sensorkopplung Geschwindigkeit, Lenkwinkel,
Regensensor, Umgebungs-
lichtsensor etc.
LIDAR, RADAR, Video-Kamera (s),
Echtzeitbildverarbeitung, Navigationssystem,
GPS+
Kosten gering bis mittel hoch
Kundennutzen hoch höherer Sicherheitsgewinn, LSV-Optimum
Marktattraktivität wenig Sensorik erforderlich eng verknüpft mit Sensormöglichkeiten des
Fahrzeugs, deren Vernetzung und Auswer-
tung
Erscheinungsbild konventionelles Erscheinungs-
bild
verändertes Erscheinungsbild möglich
(Hybrid-Ansatz)
Gesetzgebung ab 2006 zulässig teils offen, insbesondere UHP-Lampe bisher
nicht zulässig
Einführungsszenarien
DMD-Zusatzscheinwerfer kombiniert mit
konventioneller Lichttechnik (AFS-
Scheinwerfer oder bi-funktionalen Schein-
werfern)
Aktive Zusatzscheinwerfer, kombiniert mit konventioneller (AFS-) Scheinwerfertechnik
bieten ein Kosten- und Energieeinsatzoptimium, da sie die Vorteile beider Systeme zu einer
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additiven, hoch variablen Lichtverteilung ergän-zen, wobei nur relativ geringe Kompromisse
für den Endnutzer eingegangen werden müssen.
Im Rahmen der Scheinwerferentwicklung und der Modellierung neuer Scheinwerfer-
lichtverteilungen kann der aktive Scheinwerfer in Form des DMD-Pixelarray-Scheinwerfers
als „Pixellight-Lichtverteilungs-Demonstrator“ eingesetzt werden, wobei teure, kundenspezi-
fische Lichtmuster in ihrer Anzahl deutlich reduziert werden können. Dieser Pixellight-
Lichtverteilungs-Rapid-Prototyping-Demonstrator kann unter statischen oder auch dynami-
schen Bedingungen dem OEM-Kunden mehrere, d.h. bis zu unendlich viele Lichtverteilungen
anbieten, die nur per Software modifiziert werden.
Dieses „Hardware-in-the-Loop“-Werkzeug des „Pixellight-Lichtverteilungs-Demonstrators“
stellt eine Alternative zur virtuellen Lichtverteilungssimulation am Fahrzeug-Nachtfahrt-
demonstrator dar, wobei unter realen, teilweise sich ändernden Testbedingungen (Gegenver-
kehr, Witterung, Fahrbahnbelag, Straßenkrümmung etc.) getestet werden kann. Wie bei der
virtuellen Nachtfahrtdemonstration stellt dieses Werkzeug eine Möglichkeit der Visualisie-
rung von kundenspezifischen Lichtverteilungen dar. Weitere Kernkompetenz muss es dabei
bleiben, diese dem Kunden angebotenen Lichtverteilungen mit realen kostenoptimierten,
bewährt großserientauglichen, physikalisch möglichen und energetisch genügsamen Schein-
werfersystemtechnologien möglichst eins zu eins umzusetzen. Die Auswertung von verglei-
chenden Leuchtdichtebildern oder Computersimulationen können hierzu eingesetzt werden.
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USAMMENFASSUNG
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7 Zusammenfassung und Ausblick
Bei den aktiven Scheinwerferlichtfunktionen werden das Markierende Licht und die kollekti-
ve Verkehrsraumausleuchtung als die wichtigsten Hauptfunktionen mit dem höchsten
Kundennutzen eingestuft, siehe Kapitel 6.1.1. Das Fahrerspezifische Licht und die gegenüber
den AFS-Scheinwerfern optimierte straßensituationsabhängigen Lichtverteilungen, wie z.B.
Berg- und Talfahrlicht, sind Lichtfunktionen, die den Fahrkomfort und die Fahrzeugsicherheit
weiter erhöhen. Als Nebenfunktionen mit geringerem Endkundennutzen sind die Display-
funktion und das kommunizierende Licht anzusehen.
Bei der technologischen Umsetzung der aktiven Scheinwerfer-Prototypen stehen mehrere
Technologien im Wettbewerb miteinander, Kapitel 5.1 bis 5.6. Aus diesem Wettbewerb lässt
sich ein Optimum eines idealen aktiven Scheinwerfers herausarbeiten, der ein gekrümmtes
AMD-Array besitzt, das den Lichtstrom umverteilt, aber dennoch ein hohes Maß an Variabili-
tät, Winkelpositionsgenauigkeit und Dynamik aufweist. Von den realisierten aktiven Schein-
werferprototypen kommt der DMD-Scheinwerfer dieser aktiven Scheinwerfer-Vision am
nächsten, da er ein hohes Maß an Variabilität und technologischer Reife besitzt. Energetisch
ist dessen subtraktive Erzeugung der Lichtverteilung weniger vorteilhaft, als die Lichtstrom-
umverteilenden Konzepte des scannenden Scheinwerfers und des AMD-Arrays. Die begrenz-
te Dynamik und Lichtquellen-Leuchtdichte des scannenden Scheinwerfers stellen limitierende
Faktoren dar. Das AMD-Array ist technologisch noch am wenigsten ausgereift und bedarf
weiterer Grundlagenforschung und -entwicklung. Das LCoS-Konzept bietet als subtraktives
Lichtverteilungskonzept ähnliche Vorteile wie der DMD-Scheinwerfer, erfordert allerdings
optischen Mehraufwand in der Polarisierung des Lichts und der Nutzung beider Polarisations-
anteile. Die spektrale Anpassung und Abstimmung der optischen Polarisatoren, Strahlteiler
und Linsen sind weitere Aufgaben für die Zukunft, um den höheren Wirkungsgrad des LCoS-
Chip gegenüber dem DMD-Chip nutzen zu können. Thermische Herausforderungen bestehen
sowohl beim LCoS-Chip, beim DMD-Chip als auch beim AMD-Array. Das AMD-Array
teilweise und der scannende Scheinwerfer sind in diesem Aspekt weniger anspruchsvoll, da
diese den Lichtstrom vorteilhafterweise innerhalb der Lichtverteilung umverteilen. Diesen
Ansatz setzt auch das Flexprisma um, wobei hier der Strahlengang nicht gefaltet wird. Die
Lichtstromverluste an den Grenzflächen des Optikkörper des Flexprismas und dessen
Bauvolumen sind dabei zu minimieren. Die relativ geringe Dynamik der Lichtstromablenkung
des Flexprismas ist hier von geringerer Bedeutung, da es für das dynamische Kurvenlicht
bzw. auch für eine erweiterte Leuchtweitenregelung eingesetzt werden soll.
Zur Markteinführung aktiver Scheinwerfersysteme sind zum Teil Änderungen in der beste-
henden Gesetzgebung erforderlich. Neue Lichtquellen, wie UHP-Lampen, die für den
Automotive-Einsatz bisher nicht zulässig waren, seien exemplarisch genannt. Weiterentwick-
lungen der aktiven Scheinwerfersysteme werden evtl. den Einsatz von UHP-Lampen nicht
mehr erfordern, da die Systeme wirkungsgradoptimiert werden oder nur Teile der zukünftigen
Scheinwerferlichtverteilungen erzeugen und formen werden.
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USAMMENFASSUNG
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240
Damit der Markt die zukünftigen aktiven Scheinwerfer akzeptiert, müssen für den Laien
dessen Lichtfunktionen deutlich von den bisherigen AFS-Lichtfunktionen unterscheidbar
sein. Die Technik soll für den Endnutzer sichtbar sein, damit er / sie aktive Scheinwerfer von
konventionellen Scheinwerfersystemen differenzieren kann.
Die Wettbewerbstechnologie LED-Arrays muss gegen die aktiven Scheinwerfersysteme
bewertet werden, wobei LED-Arrays prinzipbedingt nicht das Auflösungsvermögen von z.B.
DMD-Arrays erzielen werden. Das selektive Zuschalten von Lichtquellen nach Bedarf ist
sicherlich ein Vorteil der LEDs. Die Vorteile der aktiven Scheinwerfersysteme in der
Leuchtdichte der Lichtquelle werden auf absehbare Zeit erhalten bleiben.
Aktive Scheinwerfer werden zunächst in der Unterstützung der Scheinwerferentwicklung und
der kostenoptimierten Visualisierung von kundenspezifischen Lichtverteilungen eingesetzt
werden, bevor sie bei reduzierten Kosten Anwendung als Zusatzausstattung in Oberklasse-
fahrzeugen bzw. nach und nach in Großserienfahrzeugen finden werden. Zur Gesamtsystem-
Kostenreduktion werden diese zunächst mit konventioneller Scheinwerfertechnik, d.h. Xenon-
Projektionsscheinwerfern kombiniert werden, da damit kostenoptimiert z.B. nur ein aktiver
Scheinwerfer pro Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das vom Gesetzgeber geforderte paarige
Erscheinungsbild der Scheinwerfer wird durch den zweiten Scheinwerfer in Xenon-
Projektionstechnik realisiert bzw. bei zwei Xenon-Projektionsscheinwerfern durch eine
Leuchtdichteattrappe als Gegenstück zum aktiven Scheinwerfer.
Das sind erste, vielversprechende Ansätze eine kosten- und energieeinsatzoptimierte Gesamt-
Fahrzeug-Scheinwerfer-Lichtverteilung zu formen, die einen hohen Freiheitsgrad und damit
Variabilität aufweist. Diese Variabilität kann für die neuen, besser den tatsächlichen Anforde-
rungen der straßen- und verkehrssituationsangepassten Lichtverteilungen, aber auch zur
Gefährdungsminimierung durch Markierendes Licht oder Kollektive Verkehrsraumausleuch-
tung eingesetzt werden. Eine Individualisierung der Lichtverteilung, beim Fahrerspezifischen
Licht, steigert den Fahrkomfort für den Nutzer merklich und wird dessen individuellen,
physiologischen Sehgewohnheiten und dessen psychologischen Sicherheitsempfinden durch
eine optimierte Ausleuchtung bei Nachtfahrten besser gerecht werden.
Die Höhe der Steigerung der lichttechnischen Sicherheit durch das Markierende Licht muss
gegen die verbesserte Sicherheit einer kollektiven Verkehrsraumausleuchtung abgewogen
werden. Die kollektive Verkehrsraumausleuchtung weist dabei das etwas höhere Sicherheits-
potenzial auf, da deren Lichtverteilung vom Fernlicht abgeleitet ist und daher der optimalen
Lichtverteilung bei Nacht, dem Fernlicht ohne Gegenverkehr näher kommt als das Markie-
rende Licht. Das Verbesserungspotenzial der aktiven Scheinwerferfunktionen gegenüber der
heutigen Abblendlichtverteilung ist nicht nur von deren Technologie selbst abhängig, sondern
auch von deren Anbindung an die Fahrzeugsensorik, deren Auswertungselektronik und von
den maximalen Datenübertragungsraten des Fahrzeugbordnetzes.
Die aktiven Scheinwerferlichtverteilungen werden dazu beitragen, dass der Fahrer nicht nur in
seiner Wahrnehmung bei Nachtfahrten deutlich besser als bisher unterstützt wird, d.h. die
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USAMMENFASSUNG
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Fahrsicherheit bei Nacht wird signifikant gesteigert werden, sondern auch der Fahrkomfort
bei Nacht wird durch eine, der menschlichen Physiologie besser angepasste, individuelle
Ausleuchtung zu einer geringeren Ermüdung des menschlichen Auges und damit zu weniger
Nachtunfällen führen.
Zusammengefasst bieten die aktiven Scheinwerfer ein Sicherheits- und Komfortsteigerungs-
potenzial, das einer optimalen Lichtverteilung, dem Fernlicht, erzeugt durch einen idealen
Scheinwerfer, Kapitel 5.9 und 6.11, einen Lichtstrom-umverteilenden Scheinwerfer schon
sehr nahe kommt.
Offene Aufgaben für die Zukunft der Scheinwerferlichttechnik sind die Umsetzung des
idealen aktiven Scheinwerfers, der die Vorteile der unterschiedlichen, mit verfügbarer
Technologie realisierten Prototypen vereint. Dieser wird auf den OEM- und Endkundenanfor-
derungen, den theoretischen Erkenntnissen, den praktischen Erfahrungen mit den aktiven
Scheinwerfer-Prototypen sowie der verfügbaren Fahrzeugsensorik, -auswertung und -vernet-
zung basieren. Interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsansätze sind hierzu erforder-
lich. Eine völlige Substitution bestehender Scheinwerfertechnik wird aus Kosten- und
energetischen Gesichtspunkten auf absehbare Zeit nicht erfolgen. Die Kostenoptimierung der
aktiven Scheinwerfersysteme für einen breiten Großserieneinsatz in der Kompakt- und
Mittelklasse sind spannende Aufgaben für die Zukunft.
Ein weiterer Aufgabenblock besteht in der Synthese und Validierung neuer aktiver Schein-
werferlichtfunktionen und deren Wirkung auf den Fahrer bzw. den Gegenverkehr. Diese sind
Voraussetzung für eine Erweiterung der bestehenden Gesetzgebung. Wichtig wird dabei zu
prüfen sein, welche Verbesserungen innerhalb der Lichtverteilung den höchsten Nutzen für
den Endverbraucher kurzzeitig und auf Dauer haben werden.
Diese Arbeit trägt dazu bei sich einer Scheinwerfer-Lichttechnik-Zukunft, in der die ur-
sprüngliche Vision eines aktiven Scheinwerfers, Schritt für Schritt umgesetzt wird, anzunä-
hern. Die aktive Scheinwerfertechnologie wird ihren Beitrag zur Steigerung der Verkehrssi-
cherheit leisten, wobei weniger Nachtunfälle, mehr Variabilität in der Lichtverteilung und
eine ideale Ausleuchtung auch bei Gegenverkehr Kennzeichen dieser aktiven Scheinwerfer-
Lichttechnik sein werden.
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ITERATURVERZEICHNIS
242
8 Literaturverzeichnis
8.1 Konstruktionsmethodik
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[SAE 1997, KOBAYASHI] KOBAYASHI, S; HAYAKAWA, M.: Beam Controllable
Headlighting System, SAE Technical Papers, 1997-06-46, 1997, S.19-31
L
ITERATURVERZEICHNIS
251
[SAE 2000, HOGREFE] HOGREFE, H.: Adaptive Frontlighting Systems for Optimum
Illumination of Curved Roads, Highway Landes and Other Driving Situations, SAE
Technical Paper 2000-01-431, 2000
[SAE 2001, HOFFMANN] HOFFMANN, A.v.: Evaluation of Adaptive Light Distributions
with AFSim. SAE Technical Paper 2001 - 2001-03-03
[SAE 2002, HAMM] HAMM, M.: Adaptive Lighting Functions History and Future –
Performance Investigations and Field Test for User’s Acceptance, SAE SP-1668 Ad-
vanced Lighting Technology for Vehicles - 2002-01-0526, Automotive Lighting, S.151-
156
[SAE 2003, LELEVE] LELEVE, J.; WIEGAND, B.: Multifunction Projector, SAE SP-1787
Lighting Technology – 2003-01-0553, Valeo Lighting Systems, S.47 – 51
[SAE 2004, KERN] KERN, S.: Light-Emitting Diodes in Automotive Forward Lighting
Applications: Materials Engineering Solutions to Fundamental Challenges: SAE SP-
1875, 2004-01-0225, Lumileds Lighting LLC, S.29-34
[SAE 2004, YAKAMOTO] YAKAMOTO, I.: AFS Light Distribution Control: SAE SP-1875,
2004-01-0438, Koito Manufacturing, ISBN 0-7680-1411-5, S.61-67
[SAE 2004, SAZUKA] SAZUKA, X: An Automotive Forward Lighting Optical System using
LEDs: SAE SP-1875, 2004-01-0436, Koito Manufacturing, ISBN 0-7680-1411-5
[SAE 2004, WANG] WANG, B., JIAO J.: Studies for Headlamp Optical Design Using LEDs,
SAE SP-1875, 2004-01-0434, North American Lighting Inc., ISBN 0-7680-1411-5,
S.41-49
[SAE 2005, DECKER] DECKER, D.; SCHMIDT, C.: Adaptive Systems for Motor Vehicle
Lighting – First Steps and Future: SAE SP-1932 Technical Papers, 2005-01-1013,
Hella KGaA Hueck & Co., ISBN 0-7680-1577-4, 2005, S.155-162
[SCHAAL, 2003] SCHAAL, T.; ZEEB, E.: Optische Datenkommunikation über LED-
Außenbeleuchtungselemente an Kraftfahrzeugen, KfOT-Tagung, Baden-Baden,
17.+18.06.2003, VDI-Bericht 1731, S.127-136, ISBN 3-18-091731-8
[SCHENK, 2004] SCHENK, H.; u.a.: Adaptive Optics (AO)-Workshop, Fraunhofer-Institut
IPMS, 1.3.2004 in Dresden
[SCHENK, 2002] SCHENK, H.; u.a.: Mikroprojektionssysteme, Fraunhofer Institut, IMS,
Dresden, Projektskizze für BMBF Förderkonzept Mikrosystemtechnik 2000+
[SCHENK, 2000] SCHENK, H.: Ein neuartiger Mikroaktor zur ein- und zweidimensionalen
Ablenkung von Licht, Doktorarbeit, Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule-
Duisburg, Fachbereich Elektrotechnik, 2000.
L
ITERATURVERZEICHNIS
252
[SCHIEDECK, 2004] SCHIEDECK, F.: Kurzbericht ACTUATOR 2004, 9th International
Conference on New Actuators, 14-16.06.2004, Bremen; Fachgebiet Mechatronik und
Dynamik, Prof. Wallaschek, Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn
[SCHIERMEISTER, 2003] SCHIERMEISTER, N.; u.a.: LEDs, Leuchtdioden-Systeme im
Scheinwerfer, Hella KG Hueck & Co., ATZ 9 / 2003, Jahrgang 105, S.782-791
[SPIEGEL, 2005-4] WESSELHÖFT, P.: Die Gedanken der Fahrer sind frei, Interview mit
Mercedes-Forscher: H.-G. Metzler, Leiter aktive Sicherheit und Fahrsicherheit bei
Mercedes-Benz, SPIEGEL ONLINE, www.spiegel.de/auto, 03.12.2005
[SPIEGEL, 2005-3] GRÜNWEG, T.: Die Nacht verliert ihre Schrecken, Sicherheit im
Dunkeln: SPIEGEL ONLINE, www.spiegel.de/auto, 25.11.2005
[SPIEGEL, 2005-2] o.V.: Zittern im Lenkrad, Assistenzsysteme auf der IAA: SPIEGEL
ONLINE, www.spiegel.de/auto, 19.08.2005
[SPIEGEL, 2005-1] o.V.: Lichtshow auf der Frontscheibe, Audi-Lasertechnik: SPIEGEL
ONLINE, www.spiegel.de/auto, 02.07.2005
[SPIEGEL, 2004] HAUPT, H.: Wenn die Sehkraft ihre Grenzen erreicht, Nachts fahren:
SPIEGEL ONLINE, www.spiegel.de/auto, 23.01.2004
[TESCHKE, 2005] TESCHKE, M.: Entwurf eines Optikkonzeptes zur Nutzung eines DMD-
Arrays im Kfz-Scheinwerfer, Diplomarbeit L-LAB, TU Ilmenau, 2005
[TI, 2001-1] o.V.: Why is the Texas Instruments Digital MicroMirror Device
TM
(DMD
TM
) so
reliable? www.dlp.com/dlp/resources/pixels, 12-2001
[TI, 2001-2] DOUGLASS, R.: Lifetime Estimates and Unique Failure Mechanisms of the
Digital Micromirror Device (DMD), www.dlp.com/dlp/resources, 12-2001
[TSAI, 2003] TSAI, J.-C.; u.a: Analog Micromirror Arrays with orthogonal scanning
directions for wavelength selective 1xN² switches, University of California, Los Ange-
les, Electrical Engineering Department, TRANSDUCER 2003 Conference.
[TSCHUDI, 2002] TSCHUDI, T.: Adaptive Optik mit Flüssigkristallen, Vortrag Nr. 310,
Carl-Zeiss-Optikkolloquium, Institut für Angewandte Physik TU Darmstadt, 02-2002
[TU CHEMNITZ, 2004] www.infotech.tu-chemnitz.de/~zfm
[VALEO, 2005] Valeo LED-Hauptscheinwerfer in einem Volvo XC90 Gehäuse, Autobild Nr.
22, 05.08.2005, S.41
[WALLASCHEK, 1998] WALLASCHEK, J.: Innovation – Weiß Ihr Scheinwerfer, wo Sie
hinfahren?, Hella Lichttechnik Research & Development Review, 1998
L
ITERATURVERZEICHNIS
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[WEBER, 1996] WEBER, T.: Von der Lichtstärkeverteilung zur Reflektorgestalt, Hella
Lichttechnik, Hella Lichttechnik Research & Development Review, 1996
[WELFORD, 1978] WELFORD, W.T; WINSTON, R.: The Optics of Nonimaging Concen-
trators – Light and Solar Energy: Academic Press, New York, 1978, ISBN 0-12-
745350-4
[WELFORD, 1989] WELFORD, W.T., WINSTON, R.: High Collecting Non Imaging Optics:
Academic Press Inc., San Diego, CA1989, ISBN 0-12-742885-2
[WELT, 2004] LÖFGEN, J.: Kohlenstoff statt Wolfram-Draht: Glühbirne leuchtet mit
Nanoröhrchen, Die Welt, 25.11.2004
[WEIS, 2002] WEIS, T.: Leuchtdichte- und Kontraststeuerung von Displays: Dissertation, TU
Ilmenau, 2002
[WMI KG, 1983] o.V.: Entwicklung eines flachbauenden Abblend-Scheinwerfers mit
neuartigem optischem System (Dreiachsiger Ellipsoid-Scheinwerfer): Technische In-
formation Erzeugnisentwicklung, Westfälische Metall Industrie Hueck & Co. KG,
Lippstadt, 1983
[WU, 2001] WU, SHIN-TSON; YANG, DENG-KE: Reflective Liquid Crystal Displays,
Wiley & Sons Verlag, 2001, ISBN 0-471-49611-1
[WURMUS, 1999] WURMUS: Skript zur Vorlesung: Mikrosystemtechnik, TU Ilmenau, 1999
[ZFM, GRESSNER, 2004] GRESSNER, T.: MEMS Technology, R&D Services and Prototy-
pes, Zentrum für Mikrotechnologien, Chemnitz, Hannover Messe 2004
[ZIMMERMANN, 2000] ZIMMERMANN, H.: Integrated silicon optoelectronics: Springer-
Verlag, 2000, ISBN 3-540-66662-1
[ZISSIS, 2004] ZISSIS, G.: Light Sources 2004: Proceedings of the 10th International
Symposium on the Science and Technology of Light Sources Toulouse, Institute of
Physics, Nr. 182, 18.07.-22.07.2004
8.3 Bewertung von Scheinwerferlichtverteilungen
[DAMASKY, 1995] DAMASKY, J.: Lichttechnische Entwicklung von Anforderungen an
Kraftfahrzeug-Scheinwerfer, Dissertation, TH Darmstadt, 1995
[DAHLEM, 2001] DAHLEM, T.: Methoden zur Bewertung von Kraftfahrzeug-
scheinwerfern: Dissertation, TU Darmstadt 2001, ISBN 3-89675-898-5
[GALL, 1998] GALL, D.: Vorlesungsskripte zur Physiologischen Optik und Beleuchtungs-
technik; Optoelektronik, TU Ilmenau, 1998f
L
ITERATURVERZEICHNIS
254
[KAUSCHKE, 2001] KAUSCHKE, R.: Untersuchung der Adaptationsbedingungen bei
inhomogener Ausleuchtung durch Kfz-Scheinwerfer, Diplomarbeit, TU Ilmenau, Hella
KG, 2001
[KAUSCHKE, 2002] KAUSCHKE, R.; VÖLKER, S.: Neue mathematische Verfahren zur
Sichtweitenbestimmung aus Leuchtdichtebildern. 15. Gemeinschaftstagung der licht-
technischen Gesellschaften der Niederlande, Deutschlands, Österreichs und der
Schweiz, 22-25.September 2002, Maastricht, Niederlande S.361-365, NSVV 2002
[KAUSCHKE, 2003-7] KAUSCHKE, R; FÖRTSCH, A.; VÖLKER, S.: Sichtweitenunter-
suchungen mit dem Histogramm- und dem Gradientenverfahren. 6. Lux junior 2003-
Konferenz, Arnstadt, 19.-21.September 2003, Abstrakt S.27, CD-ROM mit Volltext,
TU Ilmenau, FG Lichttechnik
[KLEINKES, 2003] KLEINKES, M.: Objektivierte Bewertung des Gütemerkmals Homogeni-
tät für Scheinwerfer-Lichtverteilungen, Dissertation, Hella KG, Uni Bielefeld, 2003,
ISBN 3-8322-1784-3
[PAL 1997, RATTUNDE] RATTUNDE, R.: The photometric Evaluation of CUTOFF-Lines,
PAL 1997, Herbert Utz Verlag, 1997, S.415-424
[PAL 2001, VÖLKER] VÖLKER, S.; KLEINKES, M.: Investigation of the visible range of
different types of headlamps, PAL 2001, S.1009-1018
[POLLACK, 1998] POLLACK, W.: Lage und Qualität der Hell-Dunkel-Grenze in der
Lichtverteilung von Kraftfahrzeug-Scheinwerfern, ATZ 100, 1998, S.58-64
[SAE 2000, MANZ] MANZ, K.: Are Measurements for the Cut-Off Gradient of Headlamps
in different Measurement Distances Possible: SAE Technical Papers Series 2000-01-
0803, Warrendale, 2000
[SCHMIDT-CLAUSEN, 1995] SCHMIDT-CLAUSEN, H.-J.: Bewertung der Hell-Dunkel-
Grenze bezüglich Ihrer Qualität, Lage und Linearität, PAL 1995, Herbert Utz Verlag,
1995, S.171-177
[SCHMIDT-CLAUSEN, 1999] SCHMIDT-CLAUSEN, H.-J.:, Vorlesungsskript zur Licht-
technik, TU Darmstadt, 1999f
[TRISNADI, 2004] TRISDANI, J; u.a.: Overview and application of Grating Light Valve ™
based optical write engines for high-speed digital imaging: Photonics West 2004 –
Micromachining and Microfabrication Symposium, January 26, 2004, San Jose, CA,
USA, paper 5348-05, 13 pages
[VÖLKER, 2002] VÖLKER, S.; KAUSCHKE, R.; KLEINKES, M.: Neue Algorithmen und
neue Methoden für die Blendungsbewertung von Kfz-Scheinwerfern. 15. Gemein-
schaftstagung der lichttechnischen Gesellschaften der Niederlande, Deutschlands, Ös-
L
ITERATURVERZEICHNIS
255
terreichs und der Schweiz, 22-25.September 2002, Maastricht, Niederlande S.340-348,
NSVV 2002
[VÖLKER, 2006] VÖLKER, S.: Hell- und Kontrastempfindung – ein Beitrag zur Entwick-
lung von Zielfunktionen für die Auslegung von Kfz-Scheinwerfern, Habilitationsschrift,
Universität Paderborn, 2006
[WÖRDENWEBER, 2002] WÖRDENWEBER, B.: Vorlesungsskript zur Lichttechnik, L-
LAB, Universität Paderborn, 2002f
8.4 Sensorumgebung und Displays
[HÖVER, 2003] HÖVER N.; SEUBERT, T.: Heutige Fahrerassistenz-Systeme und ihr
Potenzial für die Zukunft, Hella KG Hueck & Co., ATZ 10 / 2003
[ISAL 2005, BÖHLAU] BÖHLAU, CH.: Multibeam LIDAR ACC – Approaching the Start of
Production: Hella KGaA Hueck & Co., ISAL 2005, 27.+ 28.September 2005, Darm-
stadt, ISBN 3-8316-0499-1, S.82-90
[ISAL 2005, GRIESINGER] GRIESINGER, M.; u.a.: Multifunctional Use of Semiconductor
Based Car Lighting Systems: Potentials and Challenges: DaimlerChrysler AG (GE),
ISAL 2005, 27.+ 28.September 2005, Darmstadt, ISBN 3-8316-0499-1, S.73-81
[ISAL 2005, REBUT] REBUT, J.; BENOIST, F.: Vision Based Systems for Lighting Automa-
tion: Valeo Lighting Systems (FR), ISAL 2005, 27.+ 28.September 2005, Darmstadt,
ISBN 3-8316-0499-1, S.59-72
[KAUSCHKE, 2003-7] KAUSCHKE, R; WALLASCHEK, J.; VÖLKER, S.; EICHHORN,
K.: Konstruktionssystematische Analyse und lichttechnische Bewertung von Konzepten
für aktive Scheinwerfer; KfOT-Tagung, Optische Technologien in der Fahrzeugtechnik,
Baden-Baden, 17.+18.06.2003, VDI-Bericht 1731, S.63-72, ISBN 3-18-091731-8 (vgl.
Kapitel 8.8)
[MÜHLENBERG, 2002] MÜHLENBERG, M.; SEUBERT, T.: Fahrerassistenzsysteme
basierend auf Bildsensorik, Hella KG Hueck & Co., ATZ7-8/2002, Jahrgang 104,
S.658-663, ISSN 0001-2785, www.all4engineers.com
[ROSLAK, 2005] ROSLAK, J.: Entwicklung eines aktiven Scheinwerfersystems zur blend-
freien Ausleuchtung des Verkehrsraums: Dissertation, Universität Paderborn, 2005 (vgl.
Kapitel 8.2)
[SAE 1972, RAYNER] RAYNER, C.: SSV2 Electrical Equipment, SAE Technical Papers
Series 1972-06-23, 1972
[SAE 2003, RUMAR] RUMAR, K.: Infrared Night Vision Systems and Driver Needs, SAE
SP-1787, 2003-01-0293, 2003
L
ITERATURVERZEICHNIS
256
[SCHAAL 2003] SCHAAL, T.; ZEEB, E.: Optische Datenkommunikation über LED
Außenbeleuchtungselemente an Kraftfahrzeugen, S.127 – 136, VDI Bereicht Nr. 1731,
2003, KfOT-Tagung in Baden-Baden, 17.+18.06.2003, ISBN 3-18-091731-8 (vgl. Ka-
pitel 8.2)
[SCHWAB, 2003] SCHWAB, G.: Untersuchungen zur fahrdynamischen Ansteuerung
adaptiver Kraftfahrzeugscheinwerfer: Dissertation, TU Ilmenau, Fachgebiet Lichttech-
nik, 2003
[SEUSS, 2003] SEUSS, J.; STRYSCHIK, D. : Steuerungselektronik für dynamisches
Kurvenlicht : Hella KG Hueck & Co., ATZ 6 / 2003, Jahrgang 105, S.598-601
[WALLASCHEK, 2003] WALLASCHEK, J.; ROSLAK, J.: Aktive Kfz-Lichtverteilungen zur
kollektiven Ausleuchtung des Verkehrsraumes: 1. Intelligente mechatronische Systeme-
Tagung, HNI-Band 122, 20.03.-21.03.2003, Universität Paderborn, ISBN 3-935433-31-
X
8.5 Sonstige Angaben
[GÖSCHEL, 2004] GÖSCHEL, B.: Die Telematik als Chance für die zukünftige Mobilität:
Vorstand für Entwicklung und Einkauf der BMW Group, 100 Jahre Fahrzeugtechnik im
VDI, S.14-17, März 2004
[VDI, 2004] VDI-nachrichten: „esafety“-Konzept der EU soll bis 2010 die Anzahl der
Verkehrstoten im Straßenverkehr halbieren; Nr. 7, 13.2.2004, S.13
8.6 Optik und Lichttechnik
[BAER, 1996] BAER, R.; u.a.: Beleuchtungstechnik – Grundlagen, Verlag Technik Berlin, 2.
Auflage, ISBN 3-341-01115-3
[BASS, 1995] BASS, M. et al.: Handbook of Optics, Volume II; Devices, Measurements and
Properties: McGraw-Hill. Inc., 1995, ISBN 0-07-047974-7 (vgl. Kapitel 8.2)
[ECKERT, 1993] ECKERT, M.: Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im
Straßenverkehr, Verlag Technik Berlin, 1993, ISBN 3-341-01072-6
[GALL, 2004] GALL, D.: Grundlagen der Lichttechnik – Kompendium, Pflaum Verlag,
2004, ISBN 3-7905-0923-X
[GALL, 1998] GALL, D.: Vorlesungsskripte zur Lichttechnik; Farbe – Farbmetrik; Licht-
messtechnik; Lichterzeugung, TU Ilmenau, 1998 - 2001
[HAFERKORN, 2003] HAFERKORN, H.: Optik – Physikalisch-technische Grundlagen und
Anwendungen, 4. Auflage, Wiley-Vch-Verlag, 2003, ISBN 3-27-40372-8
L
ITERATURVERZEICHNIS
257
[HECHT, 2001] HECHT, E.: Optik, 3. Auflage, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München,
2001, ISBN 3-486-24917-7
[HENTSCHEL, 2002] HENTSCHEL, H.: Licht und Beleuchtung, Grundlagen und Anwen-
dungen der Lichttechnik; 5. Auflage, Hüthig Verlag 2002, ISBN 3-7785-2817-3
[HERZIG, 1997] HERZIG, H.P.: Micro-Optics: Elements, Systems and Applications: Taylor
& Francis Verlag, London, 1997
[HERING, 1997] HERING, E.; ROLF, M; STOHRER, M.: Physik für Ingenieure, S.474ff, 6.
Auflage, Springer Verlag, 1997, ISBN 3-540-6244-2
[LITFIN, 2001] LITFIN, G.: Technische Optik in der Praxis, 2. Auflage, Springer Verlag,
2001, ISBN 3-540-67796-8
www.optischetechnologien.de, vgl. Bmbf\Förderung\Aktuelle Ausschreibungen und Förder-
programme
[PAUL, 1999] PAUL, H. u.a.: Lexikon der Optik, Spektrum Akademischer Verlag, Berlin,
1999, ISBN 3-8274-0382-0
[PEDROTTI, 2002] PEDROTTI, F.L.: Optik für Ingenieure: Grundlagen, 2. Aufl., Springer-
Verlag, ISBN 3-540-67379-2
[RICHTER, 2000] RICHTER, W.: Modellierung optischer Abbildungen (Grundlagen zu
Theorie der Abbildung und lens design), TU Ilmenau, 4. Ilmenauer Lehrgang, Fachge-
biet Technische Optik
[RICHTER, 1998] RICHTER, W.: Vorlesungsskript zur Technischen Optik, TU Ilmenau,
1998
[RIEMANN, 1993] RIEMANN, M.: Grundbegriffe und Grundbeziehungen des Licht- und
Strahlungsfeldes, TU Ilmenau, Fachgebiet Lichttechnik
[SCHRÖDER, 1998] SCHRÖDER, G.: Technische Optik, Grundlagen und Anwendungen:
8.Auflage, Vogel Verlag, 1998, ISBN 3-8023-1734-3
[SINZINGER, 1999] SINZINGER, S.; JAHNS, J.: Microoptics, Wiley-VCH, Weinheim,
1999
[TURUNEN, 1997] TURUNEN, J.; Wyrowski, F.: Diffractive Optics for Industrial and
Commercial Applications: Akademie Verlag, Berlin, 1997
[VERBRUGH, 2003] VERBRUGH, S.: Optical design of lighting systems and position
tolerances of light sources: Philips Lighting, Eindhoven 1,5h talk, 1st L-LAB Summer-
school 2003, 31.08.-05.09.2003
L
ITERATURVERZEICHNIS
258
[WINLENS, 2002] Winlens-Optikberechnungssoftware – Anleitung; LINOS Pre-Designer
users guide – an introduction: www.winlens.de, www.linos.com,
http://www.winlens.de/man/man_predes_v21.pdf;
http://www.winlens.de/en/lensde_basic.html; Stand 2002
8.7 Promotionsbegleitende Diplom- und Studienarbeiten
[BERHEIDE, 2004] BERHEIDE, F.: Konstruktiver Aufbau von Prototypen zur Lichtstrom-
Modulation zukünftiger Kfz-Scheinwerfer – Flexprisma: Diplomarbeit, Hella KG, FH
Bielefeld, 2004
[BÜTTNER, 2003] BÜTTNER, K.: Entwicklung und Aufbau eines LCoS-Scheinwerfer-
Optikkonzeptes: Diplomarbeit, Hella KG, TU Dresden, 2003
[HÄRMENS, 2003] HÄRMENS, E.: Die konstruktive Auslegung und der Aufbau eines
scannenden Scheinwerfer-Optikkonzeptes: Diplomarbeit, Hella KG, FH Soest, 2003
[KOCH, 2005] KOCH, M.: Sensorbasierte Ansteuerung für einen fahrzeugintegrierbaren
Flexprisma-Scheinwerfer, Diplomarbeit, Hella KGaA, Uni Paderborn, 2005
[MÖNCHMEIER, 2004] MÖNCHMEIER, T.: Konstruktiver Aufbau eines Prototypen zur
Umsetzung eines Spiegelarray-Scheinwerferkonzepts mit Schwenkfunktion für das Kfz:
Diplomarbeit, Hella KG, FH Bielefeld, 2004
[MÜLLER, 2004] MÜLLER, T.: Bewertung von Aktiven Scheinwerferkonzepten unter
technischen und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten: Diplomarbeit, Hella KG,
Uni Paderborn, 2004
[NÖLKEL, 2002] NÖLKEL, D.: Entwicklung und Aufbau eines Spiegelarray-Optikkonzepts
für den aktiven Scheinwerfer: Diplomarbeit, Hella KG, FH Aalen, 2002
[REINSDORF, 2004] REINSDORF, M.: Aufbau einer softwaretechnischen Ansteuerungsum-
gebung für einen Aktiven Scheinwerfer und die physiologische Validierung der Licht-
verteilungen: Diplomarbeit, Hella KG, FH Merseburg, 2004
[SPRENGER, 2003] SPRENGER, A.: Konstruktiver Aufbau eines Prototypen zur Umsetzung
eines Spiegelarray-Scheinwerferkonzepts ins dynamische Fahrzeugumfeld: Diplomar-
beit, Hella KG, FH Emden, 2003
[THIES, 2002] THIES, M.: Testaufbau zur Evaluierung eines Mikrospiegel-Arrays: Studien-
arbeit, Hella KG, TU Clausthal, 2002
[TAUBENRAUCH, 2004] TAUBENRAUCH, E.: Konstruktiver Aufbau eines Prototypen
eines Scheinwerferkonzepts mit Spiegelarray-Chip und Schwenkfunktion für das Kfz:
Diplomarbeit, Hella KG, FH Bremerhaven, 2004
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ITERATURVERZEICHNIS
259
8.8 Eigene Veröffentlichungen und Schutzrechtsanmeldungen
[KAUSCHKE, 2003-1] KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.; WALLASCHEK, J.: Optikkon-
zepte für adaptive Kfz-Scheinwerfer-Systeme am Beispiel des scannenden Scheinwer-
fers. Poster, 104. DGaO-Tagung, Münster, 10.-14.06.2003
[KAUSCHKE, 2003-2] KAUSCHKE, R; WALLASCHEK, J.; VÖLKER, S.; EICHHORN,
K.: Konstruktionssystematische Analyse und lichttechnische Bewertung von Konzepten
für aktive Scheinwerfer; KfOT-Tagung, Optische Technologien in der Fahrzeugtechnik,
Baden-Baden, 17.+18.06.2003, VDI-Bericht 1731, S.63-72, ISBN 3-18-091731-8
[KAUSCHKE, 2003-3] elektrochromes Element, DE 103 30 215 A1, 20.01.2005 offengelegt
[KAUSCHKE, 2003-4] Flexprismenanordnung, DE 103 44 172 A1, 21.04.2005 offengelegt
[KAUSCHKE, 2003-5] DMD-Mikrospiegelanordnung, DE 103 44 173 A1, 28.04.2005
offengelegt
[KAUSCHKE, 2003-6] AMD-Mikrospiegelanordnung, DE 103 44 174 A1; 28.04.2005
offengelegt
[KAUSCHKE, 2003-8] KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.; WALLASCHEK, J.: Innovative
Optical Concepts for Future Car Headlights. PAL 2003, Volume 10, TU Darmstadt,
23.-24.09.2003, S.487-495, ISBN 3-8316-0257-3
[KAUSCHKE, 2004-1] KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.; WALLASCHEK, J.: Adaptive
Scheinwerferkonzepte zur subtraktiven Lichtverteilungserzeugung, 105.Tagung, DGaO
2004, Vortrag am 04.07.2004 in Bad Kreuznach
[KAUSCHKE, 2004-2] KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.; WALLASCHEK, J.: Aktive
Scheinwerfer zur subtraktiven Lichtverteilungserzeugung, 105. DGaO-Tagung, Bad-
Kreuznach, 01.-05.07.2004, www.dgao.de, on-line proceeding
[KAUSCHKE, 2004-3] KAUSCHKE, R.: Pixellight – DMD active headlamps as tool for
rapid prototyping of light distributions: 1h talk and evening presentation of the DMD
active headlamp device, 2nd L-LAB Summerschool 2004, 29.08.-03.09.2004
[KAUSCHKE, 2004-4] KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.; WALLASCHEK, J.: Adaptive
Scheinwerfer – ein Technologieüberblick, Licht 2004-Tagung, Dortmund, 19.-
22.09.2004, Tagungs-CD-ROM
[KAUSCHKE, 2004-5] Scanner-Erfindungsmeldung; 01.07.2004, Offenlegung in 02.2006
[KAUSCHKE, 2004-6] Interne Hella-Präsentation über DMD, Scanner, LCoS, AMD und
Flexprisma-Device, Scheinwerfer-Entwicklungs-Systematik bei CR-O und im L-LAB,
09.2004
L
ITERATURVERZEICHNIS
260
[GÖTZ, 2004] GÖTZ, M.; HÄRMENS, E.; KAUSCHKE, R.: Scannender Scheinwerfer:
DGaO-Konferenz 2004, Bad Kreuznach, www.dgao.de (siehe Kapitel 8.2)
[ISAL 2005, ROSLAK] ROSLAK, J; KAUSCHKE, R.; WALLASCHEK, J.: Active Head-
lamps for Increased Traffic Safety, ISAL 2005, International Symposium of Automotive
Lighting, Volume 11, TU Darmstadt, 27.+ 28.09.2005, , S.317-332, ISBN 3-8316-0499-
1
[WALLASCHEK, 2003-1] WALLASCHEK, J.; KAUSCHKE, R.; EICHHORN, K.: Aktive
Lichtsysteme für das Kraftfahrzeug. 5. VDI-Mechatroniktagung 2003 Innovative Pro-
duktentwicklung, Fulda, 07.-08.05.2003, VDI-Bericht 1753, S.21-42, ISBN 3-18-
091753-9
[WALLASCHEK, 2003-2] WALLASCHEK, J.; KAUSCHKE, R.: Aktive Lichtsysteme für
das Kraftfahrzeug, Zeitschrift Konstruktion 5-2003, VDI-Verlag, S. 48-50
8.9 Fremde Schutzrechtsveröffentlichungen
[AUDI, 2003] DE 10132981 B4 [Audi Avantissimo, vertikal stehendes Klappspiegel-
Projektions-/ Reflexionssystem]: Audi AG, Ingolstadt, Offenlegung 23.01.2003 bzw.
EP 1 273 477 A2
[AL, 2001] EP 738904 B1, [Flexprisma, Hologramm, Aktorprinzipien, optische Prinzipien]:
Automotive Lighting, Italia Spa, Turin (IT), Offenlegung 11.07.2001
[AL, 2003] DE 10217194 A1, [Projektionsschwenkmodul], Automotive Lighting, Reutlingen,
Offenlegung 30.10.2003
[AUTOPAL, 2001] EP 1065101 A2, [LWR und variable LV durch Blende]: Autopal S.R.O,
Novy Jlcin (CZ), Offenlegung 03.01.2001
[BOSCH, 1985] DE 3342919 A1, [Reflexionssystem mit Schwenkreflektor, schräg orientiert]:
Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 05.06.1985
[BOSCH, 1995-1] DE 4429496 A1, Scheinwerfer für Fahrzeuge [Flexprisma, Flüssigkeitsop-
tik]: Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 22.06.1995
[BOSCH, 1995-2] DE 4418135 A1, [variable Lichtverteilung durch Reflektor mit bewegli-
chen Bereichen]: Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 30.11.1995
[BOSCH, 1995-3] DE 4419365 A1, [variable Lichtverteilung durch klappbare Reflektorbe-
reiche hinter denen weitere Reflektoren positioniert sind]: Robert Bosch GmbH, Stutt-
gart, Offenlegung 07.12.1995
[BOSCH, 1996] DE 4436620 A1, Scheinwerfer für Fahrzeuge [Zoomlinse]: Robert Bosch
GmbH, Stuttgart, Offenlegung : 18.04.1996
L
ITERATURVERZEICHNIS
261
[BOSCH, 1996-2] DE 4435507 A1, Scheinwerfer für Abblendlicht und Fernlicht für Fahr-
zeuge [Lichtquellenschwenken]: Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 11.4.1996
[BOSCH, 1997] DE 19530008 B4, [DMD-Scheinwerfer in Reflexionstechnik]: Robert Bosch
GmbH, Stuttgart, Offenlegung 20.02.1997, B4-Schrift: 03.02.2005
[BOSCH, 1998] DE 19634754 A1, [AFS-Scheinwerfer aus mehreren SW-Einheiten, mit einer
Basis-LV und zusätzlichen LVs durch die zusätzlichen Einheiten]: Robert Bosch GmbH,
Stuttgart, Offenlegung 05.03.1998
[BOSCH, 1999-1] DE 19756437 A1, [Fernlicht-Lichtverteilung bei Projektionsmodul durch
klappbaren Teil des Ellipsoid-Reflektors oder durch ein LCD-Element]: Robert Bosch
GmbH, Stuttgart, Offenlegung 24.06.1999
[BOSCH, 1999-2] DE 19813032 A1, [SW aus mehreren SW-Einheiten, mit einer Basis-LV
und zus. LV durch die zusätzlichen Einheiten]: Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenle-
gung, 30.09.1999
[BOSCH, 2000-1] DE 19860461 A1, Scheinwerferanlage für Fahrzeuge zur Erzeugung von
Lichtbündeln unterschiedlicher Charakteristik [LVs sind horizontal bzw. vertikal
schwenkbar]: Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 06.07.2000
[BOSCH, 2000-2] DE 19907943 C2, [Reflektor mit DMD-Chip-Segment]: Robert Bosch
GmbH, Stuttgart, Offenlegung: 07.09.2000; Patent: 22.02.2001
[BOSCH, 2000-3] DE 19914417 A1, [AFS: 2 LV mit einer festen und einer variablen LV,
schwenkbarer Reflektor oder Blende bei Projektionssystem]: Robert Bosch GmbH,
Stuttgart, Offenlegung 05.10.2000
[BOSCH, 2001] DE 19957377 A1, [variable LV beliebiger Intensität mittels Hologramm]:
Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Offenlegung 31.05.2001
[BMW, 1999] DE 19810480 A1, [Projektionsschwenksystem]: BMW AG, München,
Offenlegung, 16.09.1999
[BMW, 2000] DE 19834566 A1, [Scheinwerfer mit variablen Reflektoren, Blenden zur
Reduktion der Blendung des Gegenverkehrs] : BMW AG, München, Offenlegung
09.03.2000
[DC, 2000] DE 19931008 C1, [Fahrzeugleuchteneinheit mit variabler Prismenoptik, Lichtlei-
ter]: DaimlerChrysler AG, Stuttgart, Patent: 31.08.2000
[EPSON, 2003] DE 69715359 T2, Linsenarrays als Homogenisatoren, Polarisations-
prismenelemente, Strahlteilerwürfel, LCD, LCoS-Anordnungen: Seiko EPSON Corp.
(JP), Offenlegung 2.1.2003, Priorität 25.06.1996
L
ITERATURVERZEICHNIS
262
[EPSON, 2000] EP 1 120 682 A2, [Lichtleiter- bzw. Linsenarrayshomogenisator, Polarisati-
onselemente, LCoS-Elemente, Mehrfarbenprismen]: Seiko EPSON Corp. (JP), Offenle-
gung 01.08.2000, Priorität 28.01.2000
[ICHIKOH, 2004] EP 1 433 655 A2, Digital lighting apparatus for vehicle, controller for
digital lighting appartus, and control program for digital lighting apparatus, ICHIKOH
Industies, Ltd., Tokyo (JP), Offenlegung 30.06.2004, Priorität 29.12.2003
[HELLA, 1998] DE 19718540 A1, [Scheinwerfer für links/rechts-Verkehr, Lichtverteilung
erzeugt durch beweglichen Reflektor, Basislichtverteilung mit zusätzlichem Lichtfinger]:
Hella KG, Lippstadt, Offenlegung 05.11.1998
[HELLA, 2000-1] DE 19857439 A1, [Scheinwerfer nach Projektionsprinzip mit Prismenop-
tik]: Hella KG, Lippstadt, Offenlegung 15.06.2000
[HELLA, 2000-2] DE 1013098 A1, [Projektionssystem-Schwenk-Scheinwerfer]: Hella KG,
Lippstadt, Offenlegung 09.01.2000
[HELLA, 2004] DE 1491400 A2, [Reflexions-Schwenk-Scheinwerfer]: Hella KG, Lippstadt,
Offenlegung 29.12.2004
[HONDA, 2001] DE 19549077 C2, [Reflexions-Schwenk-Scheinwerfer mit geschwenktem
Teilreflektor], Honda K.K., Stanley Ltd.(JP), Patenterteilung 29.11.2001
[KOITO, 1993] DE 4318315 C2, [Zweigeteiltes Vario-Walzen-System]: Koito Manufacturing
Co. Tokyo (JP), Offenlegung 09.12.1993, Patenterteilung 22.07.1999
[KOITO, 1998] DE 19756574 A1, [Zweigeteiltes Vario-Walzen-System mit horizontal
verschiebbarem Ellipsoid-Reflektor]: Koito Manufacturing Co. Tokyo (JP), Offenle-
gung: 08.10.1998
[KOITO, 1998] JP 10112202 A, [variable LV durch beweglichen Reflektor und bewegliches
Glühmittel]: Koito Manufacturing Co. Tokyo (JP), Offenlegung: 28.04.1998
[KOITO, 2002] DE 4345330 C2, [Blendenwalze mit schraubenförmiger Kontur bei Projekti-
onssystem]: Koito Manufacturing Co. Tokyo (JP), Patent: 29.08.2002
[KOITO, 2005] DE 102033346 A1, [Projektionsschwenksystem]: Koito Manufacturing Co.
Tokyo (JP), Offenlegung: 17.02.2005
[MITSUBISHI, 2002] JP 2002122805 A, [Lampe, Homogenisator, DMD-Element und V-
Anordnung] MITSUBISHI Electric Corp. (JP), Offenlegung 24.04.2002
[NEC, 2000-2] EP 1 024 670 A2, [Linsenarrayshomogenisator, Polarisationselemente,
Farbrad, LCD] NEC Corp. Tokyo (JP), Offenlegung 02.08.2000, Priorität 29.1.1999
[NEC, 2000-1] EP 1 018 842 A3, [Mehrfarbenprisma, mehrere Lichtmodulationselemente
(DMD, LCoS)]: NEC Corp. Tokyo (JP), Offenlegung 12.07.2000, Priorität 08.01.1999
L
ITERATURVERZEICHNIS
263
[OSRAM, 1999] DE 19737653 A1, [DMD-Scheinwerfer-Prinzip in Projektionstechnik], Pat.-
Treuhand-Ges. für elektr. Glühlampen, München, ENDERS, M., Offenlegung:
04.03.1999; siehe auch WO-99/11968-A1
[ÖZSOY, 2000] DE 19910004 A1, [LCD Projektions-Scheinwerfer mit IR-Filter]: ÖZSOY,
F., privat, Duisburg, Offenlegung: 21.09.2000
[PHILIPS, 2002] WO 02089493 A2, [LCoS-Video-Projektor, V-Anordnung], PHILIPS
Electronics N.V., Offenlegung: 17.04.2002
[PORSCHE, 2001] EP 1093965 A2, [geschwenkter SW für Randstreifen oder Fernlicht-
Beleuchtung], Offenlegung: 25.04.2001
[SOARDO, 1995] EP 291475 B1, [variable Lichtverteilung durch scannenden Aufbau mit 2
Einachsen-Galvanometerscannern und einem Laser], Soardo, P., Turin (IT), Offenle-
gung: 17.11.1988, B1-Schrift: 16.05.1995
[STANLEY, 1998-1] DE 19741377 A1, Fahrzeug-Scheinwerfer [Parallelkinematik für
Lichtquelle]: Stanley Electric. Co. Ltd., Tokyo (JP), Offenlegung 02.04.1998
[STANLEY, 1998-2] JP 10208510 A, [SW mit beweglichem Reflektorteil zum Umschalten
zwischen LB und HB] Stanley Electric. Co. Ltd., Tokyo (JP), Offenlegung 07.08.1998
[STANLEY, 1998-3] JP 11111009 A, [SW mit variablem Reflektor, Prismenoptik und
einschwenkbarer Blende] Stanley Electric. Co. Ltd., Tokyo (JP), Offenlegung
23.04.1999
[STANLEY, 2005] DE 197 41 377 B4, Fahrzeugscheinwerfer mit einer beweglichen Licht-
quelle] Stanley Electric. Co. Ltd., Tokyo (JP), Offenlegung 29.12.2005
[VALEO, 1995] DE 19544211 C2, [variable Lichtverteilung durch bewegliche Reflektortei-
le]: Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 05.06.1996, Patent: 11.12.2003
[VALEO, 1998-1] FR 2756237 A1, [variable Lichtverteilung durch Blende und Reflektor-
„Linse“ als gewinkeltes Projektionsmodul], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung
29.05.1998
[VALEO, 1998-2] FR 2758606 A1, [Lichtverteilung durch bewegliche Blende nahe der
Lampe], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 24.07.1998
[VALEO, 1998-3] FR 2758607 A1, [beweglicher Reflektor mit Blende für variable LV],
Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 24.07.1998
[VALEO, 1998-4] FR 2760418 A1, [Reflexions-Blende und geschwenkte Linse bei gewinkel-
tem Projektionssystem], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 11.09.1998
[VALEO, 1998-5] FR 2760512 A1, [geschwenkte LV durch Schwenkspiegel nach Projekti-
onssystem], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 11.09.1998
L
ITERATURVERZEICHNIS
264
[VALEO, 1998-6] FR 2761026 A1, [Reflektor mit TIR-Optik und verschiebbarem Blenden-
hut], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 25.09.1998
[VALEO, 1999] DE 19838221 A1, [Prismenoptik für Beleuchtungs- oder Signaleinrichtun-
gen, Lichtleiter], Valeo Vision, Bobigny (FR), Offenlegung 11.03.1999
[VALEO, 2001] US 2001/0006467 A1, [Reflektor mit Teil-Flexprismenoptik], Valeo Vision,
Bobigny (FR), Offenlegung 05.07.2001
[VISTEON, 2004] DE 10339183 A1, [Projektions-Schwenksystem], Visteon Corp. (US, CZ,
DE?), Offenlegung: 04.03.2004 bzw. US 2004-6761476 B2
[VW, 2002] DE 10062158 A1, [Schwenkspiegel-Scheinwerfer, horizontal orientiert, mit 2
SW-Einheiten] Offenlegung 20.06.2002
[ZIZALA, 2002] EP 1234716 A2, [Projektionssystem mit geschwenkter Linse], Offenlegung
28.08.2002
[ZEISS, 2001] DE 19955843 A1, [T-Anordnung und Optikdesign eines DMD-Video-
Projektors] Offenlegung 13.06.2001
G
LOSSAR
265
8.10 Glossar
AFS = Adaptive Frontlighting System
AFS+ = um gezielterere Straßenausleuchtung erweiterte AFS-Funktionalitäten
AMD = Analog MicroMirror Device
AO = Adaptive Optics
ATN = Verfahren zur Bestimmung der Steigung / Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze
AWL = Adverse Weather Light = Schlechtwetterlicht
Beamer = Video-Projektor zur Projektion von Bildschirminhalten auf eine Wand
Bi-Xenon = Abblend- und Fernlicht erzeugt durch ein Xenon-Projektionsmodul
stat. BL = statisches Kurvenlicht für Abbiegungen, Serpentinen und zum Einparken
dyn. BL = dynamisches Kurvenlicht, Schwenken der Lichtverteilung bis zu +/-15°
CCD = Charge Coupled Device
CLK = Clock
CMOS = Compound Metal Oxid Semiconductor
COL = Kollektive Verkehrsraumausleuchtung – collective / connected lighting
(Aktive Lichtfunktion)
COM = Kommunikationsfunktion über Licht (LEDs arbeiten in Pulsweiten-
modulation und deren Lichtimpulse werden von Fotodioden empfangen) (Ak-
tive Lichtfunktion)
CPC = Compound Parabolic Concentrator
1D = 1 dimensionales Drehen
2D = 2 dimensionales Drehen
D-ILA = Digital-Image Light Amplification ©[JVC]
DLP = Digital Light Processing ©[ti]
DMD = Digital MicroMirror Device ©[ti]
DRL = Daytime Running Light
DSL = Driver Specific Light (Aktive Lichtfunktion)
G
LOSSAR
266
DSY = Display Light (Aktive Lichtfunktion)
D1S = Xenon-Gasentladungslampe mit integriertem Zündgerät für Projektions-
scheinwerfer
D2S = Gasentladungslampe für Projektionsscheinwerfer
D2R = Gasentladungslampe für Reflexionsscheinwerfer
D2S kurz = Kurzbogenlampe auf Basis einer Gasentladungs-Projektionssystem-Lampe
D3S Eco Arc = Quecksilberfreie Gasentladungslampe für Projektionssysteme
D4S = Quecksilberfreie Gasentladungslampe für Projektionssysteme
ECE = Economic Commission for Europe
ESP = Elektronisches Stabilitäts Programm zur Fahrzeugdynamikstabilisierung
Etendué = geometrischer Fluss, Lagrange’sche Invariante
FF = Freiform-Spiegel- oder Linsenfläche, numerisch berechnete Geometrie
FFL = Front Fog Light = Nebellicht
FNG = Flächennutzungsgrad, Verhältnis aus Summe aus Einzelspiegelflächen zur
Gesamtchipfläche
GDL = Gas Discharge Lamp (Gasentladungslampe)
GLV = Grundlichtverteilung
HB = High Beam = Fernlicht
HDG = Hell-Dunkel-Grenze
HF = Hauptfunktion
HID = High Intensity Discharge
HUD = Head-up Display, virtuelles Anzeigefeld schwebt über der Kfz-Motorhaube
IR = infrarote Strahlung, Wellenlängen > 780nm
KOM = Kommunikationsfunktion (Aktive Lichtfunktion)
L-LAB = Licht-Labor, Public-Private-Partnership der Universität Paderborn und der
Hella KGaA Hueck & Co.
LB = Low Beam = Abblendlicht = Landstraßenlicht
LCD = Liquid Crystal Display = transmittives LC-Display
G
LOSSAR
267
LCoS = Liquid Crystal on Silicon = reflektives LC-Display
LSV = Licht Stärke Verteilung
LV = Lichtverteilung, Kurzform von Lichtstärkeverteilung
LWR = Leuchtweiteregelung
LWR+ = Leuchtweiteregelung, die um den Winkelbereich eines Berg- und Talfahr-
lichts erweitert wurde.
MEM(S) = Micro-Electro-Mechanical (-Systems)
MEOMS = Micro-Elektro-Opto-Mechanical-Systems
MKL = Marking Light = Markierungslicht (Aktive Lichtfunktion)
ML = Motorway Light = Autobahnlicht
MMD = Mikro Mechanical Devices
NF = Nebenfunktion
OEM = Original Equipment Manufacturer / Kfz-Hersteller
PBS = Polarisations-Beam-Splitter = Polarisations-Strahl-Teiler
PDA = Personal Digital Assistent (Taschencomputer und Organizer)
s-polarisiert = senkrecht-polarisiertes Licht (zur Betrachtungsebene)
p-polarisiert = parallel-polarisiertes Licht (zur Betrachtungsebene)
Polygon = mehrflächiger Scanner-Kopf, bei dem jede Spiegelfläche eine Scanbewegung
hervorruft
SAE = Society of American Engineers
Scanner = zeilenweises Ablenken eines Lichtbündels um 1D- oder 2D-Drehachsen
SLV = Scannende Lichtverteilung / Scannender Lichtverteilungs (-Anteil)
SW = Scheinwerfer
TIR = total internal reflexion = totale interne Reflexion
tbd. = to be defined
ti = texas instruments
TL = Town Light = Stadtlicht
G
LOSSAR
268
UHP = Ultra High Performance-Lampe (eingesetzt bei Videoprojektoren und bei
Aktiven Scheinwerfern)
UV = ultraviolette Strahlung, Wellenlängen < 380nm
Vario-Xenon = variables Projektionsmodul, bei dem die AFS-Lichtverteilungen und deren
HDG mittels einer unterschiedlich konturierten Frei-Form-Walze, die rotato-
risch um ihre Längsachse gedreht wird, erzeugt werden.
VIS = visueller Spektralbereich, 380nm bis 780nm
WKG = Wirkungsgrad
Xenon = Zündgas einer Gasentladungs-Quecksilberhochdruck-Lampe
D
ANKSAGUNG
269
Danksagung
Großer Dank gebührt meinen betreuenden Professoren Herrn Professor Wallaschek, Universi-
tät Paderborn, Heinz Nixdorf Institut, Fachgebiet Mechatronik und Dynamik sowie Herrn
Professor Gall, TU Ilmenau, Fachgebiet Lichttechnik für ihre fachliche und menschliche
Unterstützung sowie die wissenschaftlichen Richtungsweise.
Vielen Dank auch an die zahlreichen Studenten, die mich mit ihrem Praxissemester, ihrer
Studien- oder Diplomarbeit, u.a. auch mit konstruierter und aufgebauter Hardware, selbstpro-
grammierter Software oder einer ersten Validierung der Konzepte unterstützt haben. Zu
nennen sind dabei: Daniel Nölkel, Elmar Taubenrauch, Thomas Müller, Karsten Büttner,
Friso Berheide, Matthias Koch, Eva Härmens, Andreas Sprenger, Matthias Thies, Mario
Reinsdorf, Andreas Förtsch, Tobias Mönchmeier, Pascal Höhner, André Größer.
Besonders gedankt sei Herrn Bernhard Newe beim Aufbau des L-LAB, einer Public-Private
Partnership der Hella KGaA Hueck & Co. und der Universität Paderborn. Ein großes
Dankeschön auch an meinen fachlichen Unterstützer, Herrn Dr. Stephan Völker, für zahlrei-
che interessante Diskussionen, seine guten Anregungen und motivierende Impulse.
Großer Dank gebührt auch Herrn Dr. Karsten Eichhorn für seine fachliche Unterstützung und
sein reges Interesse am Fortschritt der Arbeit. Dankeschön auch an Herrn Dr. Mirco Götz und
Herrn Dr. Reinhard Wille für die Betreuung der beiden Diplomarbeiten von Jean Hostein und
Sascha Dolenec. Die fachliche Diskussion mit den Betreuern schätzte ich sehr.
Danke auch an den Hella L-LAB Vorstand Herrn Professor Wördenweber und jetzt Herrn
Professor Woldt für ihre Unterstützung und das ausgewiesene Interesse an meiner Arbeit,
meinen Erfindungsmeldungen sowie an meinen Publikationen.
Diese Arbeit wäre nicht möglich gewesen ohne die Unterstützung von Frau Brigitte Krause,
Herrn Erwin Freudenreich, Frau Ursula Gröger, die Unterstützung der Lichttechnische
Vorentwicklung und Scheinwerfer Lichtsimulation, dem Musterbau der Hella KGaA und der
Hella Leuchten Systeme GmbH und der HLS-Lehrwerkstatt.
Dank gebührt auch meinen netten Mechatronik und Dynamik-Fachkollegen, den netten
Damen vom Sekretariat und dem sehr umgänglichen L-LAB, das für so manch abwechslungs-
reiche Stunden und Tage sorgte. Insbesondere Herr Dr. Jacek Roslak war mir stets ein
aufgeschlossener und wechselweise anspornender Tischkollege, mit dem ich gerne über die
„aktive Lichttechnik“ diskutiert habe.
Den Abschluss meiner Promotionsarbeit widme ich meiner Freundin Eugenia, die mich
beständig unterstützt und bestärkt hat.
Schließlich danke ich meinen Eltern, die mich während meines ganzen Studiums im In- und
Ausland stets motiviert und intensiv unterstützt haben.
Dank sei auch all jenen gesagt, welche ich hier nicht namentlich erwähnt habe.
A
NHANG
270
9 Anhang
9.1 Bewertung der Hauptkonzepte im Detail
A.1: Bewertungsmatrix der aktiven Scheinwerfer-Teil 1 [8.7, MÜLLER, 2004]
A
NHANG
271
A.2: Bewertungsmatrix der aktiven Scheinwerfer-Teil 2 [8.7, MÜLLER, 2004]
A
NHANG
272
9.2 Offene technologische und physiologische Fragen
Exemplarisch sind hier für den aktiven DMD-Scheinwerfer offene technologische und
physiologische Fragen aufgelistet:
1. Was machen die Interferenz / Beugungsmuster der Pixel auf der Straße? Können diese bei
stehendem Fahrzeug ermittelt werden? Was ist die Ursache dafür? Werden diese vom eigenen
Fahrer oder vom Gegenverkehr wahrgenommen? Wie ist die Blendung dadurch? Pulsieren,
wenn das entgegenkommende Fahrzeug nur leicht wippt im Vergleich zum eigenen Fahrerau-
ge? Wie sind diese bei dynamischen Fahrzeugbewegungen zu sehen? Was sieht der Gegen-
verkehr? Werden die Lücken zwischen den Pixeln als pulsierendes Licht für den entgegen-
kommenden Verkehr wahrgenommen? Leuchtdichtespitzen?
2. Unterschiedliche Farbtemperaturen: Wie sieht es aus mit der Farbtemperatur der Schein-
werfer? Sind diese im zulässigen Bereich?
3. Können / werden die Farbsäume an den Pixelgrenzen bei der Farbtemperaturmessung
wahrgenommen oder sind diese zu vernachlässigen?
4. Vergleich der Technologien: Wann erfolgt der unmittelbare direkte Vergleich mit konven-
tionellen Scheinwerfern, identischen Lichtverteilungen, eingelesenen Lichtverteilungen, die
vorher vermessen wurden und dann durch eine gezielte Ansteuerung des DMD-Chips in
relative Graustufenhelligkeiten mit einer überlagerten Einkoppellichtverteilung umgesetzt
wird.
5. Vibration: Was machen die Vibrationen innerhalb der Lichtverteilung? Sind die leichten
Störungen im Fahrzeugvorfeld störend? Werden diese wahrgenommen? Sollten diese mit
einem bisherigen konventionellen Scheinwerfer überlagert werden, damit diese nicht mehr
sichtbar sind?
6. Lebensdauer: Was macht die relativ konstante Schaltstellung der Mikrospiegel in ihrem
Dauereinsatz? Werden die Gelenke der Mikrospiegel ausgedehnt, überdehnt, überlastet,
dauerhaft geschädigt, sodass die Mikrospiegel sich nicht in eine andere Kippstellung zurück-
schwenken lassen?