Auf der Suche nach der Auflösung - Searching for (re)solution

Überlegungen zu hochauflösenden Scheinwerfersystemen Considerations regarding high resolution headlamps

Kurzfassung

Die Scheinwerferentwicklung hat in den letzten Jahren zwei große Neuentwicklungen gebracht. Einerseits wurde durch die Einführung von Matrix-Scheinwerfern das dauerhafte Fahren im Fernlichtbetrieb ermöglicht, ohne dabei andere Verkehrsteilnehmer zu blenden. Andererseits gestattet der Einsatz von Laserlichtquellen durch die hohe Leuchtdichte die Umsetzung von völlig neuen Scheinwerferkonzepten, sowohl was die erzielbaren Beleuchtungsstärken als auch was das Design betrifft.

Der Wunsch diese Entwicklungen zu kombinieren und weiterzuführen stellt die Scheinwerferbranche vor neue Herausforderungen. Neue Lichtquellen werden benötigt, ebenso lichtformende Elemente wie beispielsweise MEMS-Bauteile, DLPs oder LCDs. Während alle diese Technologien bereits erfolgreich im Bereich der Unterhaltungselektronik etabliert sind, stellt der Einsatz im Automobilbereich neben der optischen Umsetzung neue Anforderungen, beispielsweise an Temperaturmanagment, Elektronikkonzepte und die sensorische Anbindung an das Fahrzeug.

In der vorliegenden Arbeit werden kurz die möglichen Technologien und ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Außerdem wird erläutert, welche Voraussetzungen die Lichtquelle, das lichtformende Element, aber auch die Fahrzeugumgebung erfüllen müssen, um ein sinnvoll einsetzbares hochauflösendes Scheinwerfersystem zu entwickeln. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der erreichbaren und benötigten Auflösung und deren Umsetzung.

Abstract

During the last years, two major developments happened in headlamp design. On the one hand, the introduction of matrix headlamps allows the permanent use of high beam without glaring other road users. On the other hand, due to their high luminance laser-based

lightsources enable completely new concepts for headlamps both with regard to achievable illuminance as well as design.

The desire to combine and further drive these developments presents new challenges for the headlamp industry. New lightsources are required, as well as light modulating elements like MEMS-components, DLPs or LCDs. While all of these technologies have been successfully established in consumer electronics, the adoption in automotive applications presents new challenges, for example regarding temperature management, concepts for electronics and the connection to and implementation in the car.

In the present work, the possible technologies are discussed with regard to their advantages and disadvantages. Additionally, it is explained which characteristics the lightsource, the light modulating element, but also the environment in the vehicle have to fulfill in order to develop a useful high resolution headlamp. A special focus is on the reachable and required resolution and its implementation.

1. Überblick über mögliche Technologien

Im Moment wird sehr viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit zur Untersuchung von unterschiedlichen Lichtquellen und Modulationselementen investiert, da noch nicht klar ist, welche Technologie am besten für den Einsatz in Scheinwerfern geeignet ist und sich schlussendlich durchsetzen wird. In Error! Reference source not found. sind einige mögliche Lichtquellen für den Einsatz in hochauflösenden Scheinwerfern, gruppiert nach Funktionsprinzip, aufgelistet.

Tabelle 1: Übersicht über verschiedene mögliche Lichtquellen für den Einsatz in hochauflösenden Scheinwerfern

Die Auswahl an möglichen lichtformenden Elementen ist nicht ganz so groß, allerdings gibt es auch hier einige verschiedene Möglichkeiten:

Tabelle 2: Übersicht über verschiedene Bildmodulierende Element

Die Unterscheidung in destruktive und konstruktive Elemente in Tabelle 2 erfolgt anhand eines grundlegenden Unterschieds in der Funktionsweise: Bei der destruktiven (oder auch passiven) Bildformung wird eine bestehende Lichtverteilung durch den Einsatz einer schaltbaren transmissiven oder reflektiven Maske in den gewünschten Bereichen abgeschaltet, indem das erzeugte Licht entweder von der Maske oder einem zusätzlichen Bauteil absorbiert wird. Bei Verwendung der konstruktiven (aktiven) Bauteile hingegen wird durch An- und Abschalten der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Position im Fernfeld das Ausblendszenario umgesetzt. Offensichtlich haben die konstruktiven Systeme einen Effizienzvorteil, sind aber tendenziell komplexer und damit anspruchsvoller in der Umsetzung.

Bild 1: Mögliche Kombinationen von Lichtquelle und Modulationselement für hochauflösende Scheinwerfer

Abhängig von der Leuchtdichte der Lichtquelle und dem zur Verfügung stehenden Lichtstrom kann nicht jede Lichtquelle mit jedem Modulationselement sinnvoll eingesetzt werden. Bild 1 zeigt, welche Kombinationen mit den verfügbaren Lichtquellen und Modulationselementen prinzipiell möglich sind. Zweidimensionale Pixelarrays wie sind als Sonderfall zu betrachten, da hier Lichtquelle und Modulationselement in einem Bauteil vereint sind. Einige der dargestellten Kombinationen werden im Folgenden näher erläutert:

Kombinationen mit DLP

Die Technologie rund um den DLP ist am Projektor-Markt gut etabliert und bereits sehr weit entwickelt. Das Funktionsprinzip des bildgebenden Elements basiert auf sehr vielen, einzeln ansteuerbaren Spiegeln, die unabhängig voneinander entweder in einen Ein- oder Auszustand geschaltet werden können. Bild 2 zeigt dies anhand einer schematischen Darstellung.

Bild 2: Funktionsprinzip des DLPs. Links im Bild ein Einzelpixel im “Ein”-Zustand, rechts ein Einzelpixel im “Aus”-Zustand

Der große Vorteil von DLPs ist die große Anzahl an Einzelpixeln. Selbst beim einfachsten erhältlichen DLP stehen 854x480 Pixel zur Verfügung. Bei einem angenommenen Bildfeld in Fernfeld von ±20° wie es für eine Fernlichtverteilung sinnvoll erscheint erhält man damit eine mögliche Auflösung von ca. 0.05°.

Außerdem kommen als mögliche Lichtquellen sowohl LED- als auch Laserbasierte Varianten in Frage, auch der Einsatz von RGB-Lasern wäre technisch machbar. Durch die Verwendung von LEDs als Lichtquelle könnte ein früherer Markteinstieg als mit laserbasierten Varianten ermöglich werden.

Gegen den Einsatz von DLPs sprechen die sehr komplexe Elektronikumgebung die benötigt wird, sowie die Gesamtsystemeffizienz. Es muss von der Lichtquelle immer der maximale Lichtstrom zu Verfügung gestellt werden, auch wenn nur geringe Teile der Lichtverteilung tatsächlich beleuchtet werden sollen da die Modulation nicht durch Ein- und Ausschalten der Quelle, sondern durch Kippen des dem jeweiligen Pixel zugehörigen Einzelspiegels erfolgt.

Systeme mit Scannenden Spiegeln

Das Funktionsprinzip basiert auf einem scannenden Spiegel der einen Laserstrahl so schnell in ein oder zwei Achsen ablenkt, dass für das menschliche Auge ein stehendes Bild entsteht. Als Lichtquelle ist entweder ein blauer Laserstrahl, aber auch ein RGB-Laser möglich. In Bild 3 ist eine schematische Darstellung eines Scannenden Systems bei Verwendung von blauer Laserstrahlung und anschließender Weißkonvertierung gezeigt. Der Einsatz von LEDs oder Hochstrom-LEDs ist nicht möglich, da die Leuchtdichte nach der Konversion am optischen Konverter nicht mehr ausreicht um mit sinnvollen Effizienzen über die kleinen Scanspiegel auf die Straße projiziert zu werden.

Bild 3: Funktionsprinzip eines Laser Scanners bei Verwendung von blauer Laserstrahlung in Verbindung mit einem optischen Konverter zur Erzeugung von Weißlicht

Der Laser kann in Abhängigkeit von der Spiegelposition ein- und ausgeschaltet (oder auf beliebige Helligkeitswerte moduliert) werden, so dass eine sehr hohe Maskierungsauflösung entsteht, die im Prinzip nur von der praktisch umsetzbaren Modulationsfrequenz abhängt. Ein weiterer Vorteil ist, dass für das Erzeugen von dunklen Bereichen in der Lichtverteilung, beispielsweise um die Blendung von anderen Verkehrsteilnehmern zu verhindern, Licht gar nicht erst erzeugt werden muss – es wird nur dann erzeugt wenn es wirklich gebraucht wird.

2. Definition von Auflösung

Im Moment gibt es in der Automobilbranche noch keine klare Festlegung darauf, wie der Begriff Auflösung sinnvoll definiert werden kann. Während der Entwicklung der bestehenden Matrix- Scheinwerfer kamen wir bei ZKW zu der Erkenntnis, dass die aus der Beamer- und Displaytechnologie gebräuchliche Definition von Auflösung in Form von einzeln ansteuerbaren Pixeln für den Einsatz in der Automobilbeleuchtung nicht geeignet ist. Unser Ansatz ist es, zwei unterschiedliche Begriffe, nämlich die Maskierungsauflösung und die Bildauflösung für die Beschreibung der Auflösung zu verwenden, um den besonderen Anforderungen im Scheinwerfer gerecht zu werden.

Maskierungsauflösung

Als Maskierungsauflösung wird im Folgenden die minimale Distanz bezeichnet, um die ein ausgeblendeter Bereich verschoben werden kann. Diese Größe ist entscheidend für die Hauptanwendung von hochauflösenden Scheinwerfern, nämlich das Ausblenden von anderen Verkehrsteilnehmern.

Bildauflösung

Der Begriff Bildauflösung bezeichnet den kleinstmöglichen Bereich, der beleuchtet werden kann. Diese Größe ist entscheidend für das Darstellen von Symbolen, Kanten, aber auch den Bereichen.

Bild 4: Darstellung der beiden Auflösungsbegriffe

Diese beiden Auflösungsgrößen, die in Bild 4 nochmals anschaulich dargestellt sind, sind entscheidend für die Beurteilung von hochauflösenden Scheinwerfern. Die Maskierungsauflösung ist maßgeblich für das Hauptanwendungsgebiet von ADB-Systemen, nämlich das Ausblenden von anderen Verkehrsteilnehmern. Die Bildauflösung hingegen wird relevant, wenn zusätzliche Funktionen, wie das Darstellen von Schrift, Logos, etc. gefordert sind.

Bei der Aufgabenstellung für die Entwicklung von hochauflösenden Scheinwerfern stellt sich nun die Frage: Was ist denn eigentlich hochauflösend? Und welche Bild- und Maskierungsauflösung macht Sinn für Scheinwerfer?

Ein Versuch diese Fragen zu beantworten, basiert auf mehreren Faktoren:

Kleinster auszublendender Bereich:

Zur Abstandsberechnung wird die maximale gesetzlich erlaubte Lichtstärke von 215000 cd herangezogen. In einem Abstand von 463 m entsprechen 215000 cd einer Beleuchtungsstärke von 1 lx. Unterschreitet ein anderer Verkehrsteilnehmer diesen Abstand, muss im entsprechenden Bereich ausgeblendet werden, damit es nicht zur Blendung kommt. Als kleinstmöglicher Verkehrsteilnehmer angenommen wird ein Motorrad mit einer Breite von 1m, für das ein Bereich von 1.5m ausgeblendet wird. Ein Abstand von 1.5 m in einer Entfernung von 463 m entspricht einem Öffnungswinkel und damit einer mindestens erforderlichen Bildauflösung von 0.18° (Formel 1).

Formel 1: Berechnung des zum Ausblenden eines Motorrades nötigen Winkelbereichs

Genaueste Verschiebung:

Die Leuchtweitenregulierung erfolgt üblicherweise in Schritten von <0.1°, sodass diese Werte der Maskierungsauflösung erzielt werden müssen wenn der LWR vollständig ersetzt werden soll.

Mechanische Stabilität & Kameratoleranzen:

Ein wichtiger Einflussfaktor ist die mechanische Stabilität und die Genauigkeit der Einstellung des Scheinwerfers im gesamten Temperaturbereich. Typischerweise weisen Scheinwerfer einen Drift von bis zu 0.3° horizontal und 0.1° vertikal auf.

Die Genauigkeit der Abstimmung zwischen Fahrzeug und Kamera bewegt sich üblicherweise im Bereich von 0.1°.

Diese Werte müssen beim Ausblenden als Sicherheitsbuffer vorgehalten werden, und reduzieren somit die nutzbare Auflösung.

Kombiniert man alle diese Punkte, kommt man zu einem Größenordnungsbereich von 0.1° - 0.18°, der als hochauflösend bezeichnet werden kann.

3. Latenzzeiten

Als Latenzzeit ist die Zeit definiert, die vom Erscheinen eines auszublendenden Objekts bis zur korrekten Reaktion des Scheinwerfers durch die nötigen Abläufe im System Kamera – Fahrzeug - Scheinwerfer vergeht. Bei bestehenden Scheinwerfern mit Auflösungen von ca. 1° ist diese Zeitspanne zu vernachlässigen. Mit der im vorhergehenden Kapitel gestellten Anforderung von Auflösungen <0.2° wird es aber zunehmend wichtig, diese Verzögerungen mit zu betrachten.

Um diesen Einflussfaktor zu untersuchen, wurde eine Verkehrssituation folgendermaßen angenommen:

Bild 5: Darstellung der für die Beurteilung der Latenzzeit angenommenen Verkehrssituation

Auf einer Fahrbahn mit einer Breite von a=3m bewegen sich auf den jeweiligen Fahrspuren zwei entgegenkommende Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von jeweils 100 km/h aufeinander zu. Ein Fahrzeug ist mit einem hochauflösenden ADB-Scheinwerfer ausgestattet, der die gesetzlich erlaubte Lichtstärke von 215000 cd aufweist. Die angenommene Latenzzeit von der Erkennung des entgegenkommenden Fahrzeugs bis zur Reaktion des Scheinwerfers beträgt 50 μs. Es wurde sowohl eine gerade Fahrbahn, als auch Kurvenradien zwischen r=50 m und r=500 m untersucht.

Das Fahrzeug auf Fahrspur 1 ist mit einem hochauflösenden ADB-Scheinwerfer ausgestattet. Das entgegenkommende Fahrzeug auf Fahrspur 2 befindet sich zum Startzeitpunkt auf der durch die Kreisbogenlänge d1 angegebenen Position. Während der Latenzzeit bewegt es sich bis zur durch die Kreisbogenlänge d2 angegebenen Position. Die Winkeländerung α gibt nun die nötige bzw. nutzbare Auflösung des hochauflösenden Scheinwerfers an. Die Berechnungsschritte sind in den Formeln 2 zusammengefasst.

Formeln 2: Berechnung der Winkeländerung α der beiden sich aufeinander zu bewegenden Fahrzeuge

Die Ergebnisse der Berechnung für verschiedene Kurvenradien und Startabstände zwischen den beiden Fahrzeugen sind in Tabelle 3 aufgelistet.

Wenn sich die beiden Fahrzeuge bis auf 20m aneinander annähern, steigt auf geraden Straßen die Winkeländerung drastisch auf 1.35° innerhalb der Latenzzeit von 50 ms. In Kurven ist dies noch ausgeprägter. Das heißt also, dass durch die Latenzzeit in einem Scheinwerfersystem mit einer Auflösung von 0.1° lediglich 1.35° ausgenutzt werden können - deutlich weniger als der Scheinwerfer eigentlich ermöglicht.

Ein Fahrzeug auf der Gegenfahrbahn in einer Entfernung von 20m entspricht einem Blickwinkel von ca. 8.5° Außerhalb dieses zentralen Blickfeldes können hochauflösende Systeme also nur sehr eingeschränkt und weiter unterhalb ihrer technischen Möglichkeiten genutzt werden.

Tabelle 3: Berechnungsergebnisse für die Winkeländerung zwischen zwei sich aufeinander zu bewegende Fahrzeuge für verschiedene Kurvenradien.

Aus unserem einfachen Modell können wir also zwei Dinge lernen: Einerseits ist die drastische Auswirkung der Latenzzeit auf die nutzbare Auflösung zu betrachten, d.h. dass es unter Umständen gar nicht sinnvoll ist, extrem hochauflösende Scheinwerfer einzusetzen, solange die Latenzzeiten in der gesamten Informationskette nicht verkürzt werden können.

Andererseits können wir schlussfolgern, dass eine hohe Auflösung lediglich im zentralen Blickfeld von ca. ±8.5° sinnvoll ist, da in den Randbereichen die Eigenschaften des Systems ohnehin nicht ausgenutzt werden können.

In Bild 6 sind die Ergebnisse einer Untersuchung der Häufigkeit von Kurvenradien auf Straßen in Deutschland [1] dargestellt. Man kann erkennen, dass Kurven mit Radien von 100 m oder kleiner mit einer Häufigkeit von 10% eher selten sind. Dies wären aber die Umstände, unter denen die Matrix-Systeme die im Moment Stand der Technik sind ihre Auflösungsleistung von 1°-2° zur Gänze ausnutzen können, wie in Tabelle 3 ersichtlich ist.

Auf geraden Straßen und Kurven mit großen Kurvenradien haben hochauflösende Systeme (<0.2° Auflösung) gegenüber dem Stand der Technik (1°-2° Auflösung) einen großen Vorteil. 90% aller Straßen in Deutschland haben einen Kurvenradius von über 100 m, 75% einen Radius von über 200 m, und beinahe 60% einen Radius von mehr als 300 m - in diesen Situationen bieten hochauflösende Systeme große Vorteile und sind damit ein wichtiger Beitrag zur Verkehrssicherheit.

Bild 6: Relative Häufigkeit von Kurvenradien auf Straßen in Deutschland [1]

4. Kontrast

In der bisherigen Diskussion wurde der Kontrast zwischen beleuchteten und ausgeblendeten Bereichen auf der Fahrbahn noch nicht berücksichtigt. Die Anforderungen die diesbezüglich erfüllt werden müssen, können aber durchaus der ausschlaggebende Punkt sein, weswegen sich eine der unter Punkt 1 vorgestellten Technologien gegenüber den anderen durchsetzen kann. In [2] wurde gezeigt, dass die Performance des bildgebenden Elements hier mindestens in einem Bereich von 160:1 - 240:1 innerhalb eines Winkelbereichs von 1° liegen, bzw. diese Werte noch übertreffen muss, da durch kostengetriebene Limitierungen der Objektivqualität eine zusätzliche Verschlechterung des Kontrasts zu erwarten ist. Die aus Projektoranwendungen bekannten Angaben von Kontrastverhältnissen von 10000:1 oder noch höher beziehen sich auf den absoluten Schwarz- und Weißpunkt, und sind mit den Anforderungen in der Entwicklung von Autoscheinwerfern nicht vergleichbar. Hier scheint es momentan dass die effizienteren konstruktiven bildformenden Elemente, die auf durchgehenden optischen Konvertern basieren, hier einen deutlichen Nachteil aufweisen.

5. Zusammenfassung

Um ressourcenoptimiert entwickeln zu können, ist es nötig aus den unterschiedlichen Technologien die im Moment für den Einsatz in hochauflösenden Scheinwerfersystemen in Frage kommen, die geeignetsten auszuwählen. Während die konstruktiven/aktiven bildformenden Bauteile wie Scanner und Pixelarrays einen Effizienzvorteil haben, ist die Umsetzung vor allem was den Kontrast betrifft anspruchsvoller im Vergleich zu destruktiven/passiven Bauteilen (DLP und LCD).

Es muss weiter untersucht werden, was hochauflösend im Zusammenhang mit Scheinwerferanwendungen eigentlich bedeutet. In diesem Kontext sind als wichtiger Faktor die Latenzzeiten des Systems Kamera - Fahrzeug - Scheinwerfer zu berücksichtigen. Unser Vorschlag ist es, hochauflösende Module lediglich im zentralen Bildfeld des Fahrers einzusetzen und in den Randbereichen durch grober aufgelöste Elemente zu ergänzen, um kostenoptimierte Lösungen anzubieten.


[1] Gabriel Schwab: Untersuchung zur Ansteuerung adaptiver Kraftfahrzeugscheinwerfer, Dissertation KIT, 2003
[2] Jörg Moisel: Requirements for future high resolution ADB-Modules, Proc. Int. Symp. on Automotive Lighting (p. 161-169), 2015

Autoren des Artikels:

Dipl.-Ing. B. Reisinger, ZKW Lichtsysteme GmbH, Wieselburg
Dipl.Ing. N. Winterer, ZKW Lichtsysteme GmbH, Wieselburg
M. Reinprecht, M.Sc., Zizala Lichtsysteme GmbH, Wieselburg