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μAFS

Im Projekt μAFS hat OSRAM mit vielen weiteren Partnern einen hochauflösenden Frontscheinwerfer entwickelt. Und das ist erst der Anfang. Stefan Grötsch, Experte bei OSRAM Opto Semiconductors, erzählt von einer guten Idee und ihrer Umsetzung.

1. Die Idee

Jede Innovation beginnt mit einer Vision. In unserem Fall wollten wir eine LED mit vielen Lichtpunkten versehen, die einzeln ansteuerbar sind. Eine LED also, die sich an ihre Umwelt anpasst und auf Befehle der Benutzer präzise reagieren kann: Ein völlig neues Konzept. Unser erster Ansatz war es, einen LED-Projektor zu entwerfen, mit dessen Hilfe man Logos und Symbole aus einem Mobiltelefon heraus zum Beispiel auf einen Tisch strahlen kann. In diesem Fall hätten immer nur die LED-Lichtpunkte (Pixel) geleuchtet, die für die Formgebung des Symbols nötig gewesen wären. Doch schnell tauchten Probleme auf. Um sehr viele Pixel auf einen Chip zu bekommen und so die Leuchtdichte zu erhöhen, mussten wir es schaffen, die Abstände zwischen den Pixeln zu verringern. Dadurch wird aber gleichzeitig der Platz für Anschlüsse und Leitungen kleiner, über die jeder Pixel mit Strom und Informationen versorgt wird. Wie steuert man sie auf so wenig Platz, und wir reden hier von vier mal vier Millimetern, noch an? Mit konventionellen Methoden war das nicht mehr möglich. Wir mussten uns etwas Neues überlegen.

2. Die Lösung

Um unsere Grundidee voranzutreiben, entschieden wir uns für ein System, das eine niedrigere Auflösung, also weniger Pixel pro Fläche, benötigt als etwa ein LED-Pixel-Display. Für dieses hätten wir mit drei Farben und mehr Pixeln arbeiten müssen, was sehr viel komplexer ist. Als konkrete Anwendung erschien uns ein adaptives Frontbeleuchtungssystem (AFS) für Fahrzeuge am geeignetsten. Dort ist die Farbe ausschließlich Weiß, und wir könnten schon mit einigen tausend Lichtpunkten das gewünschte Ergebnis erreichen. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt startete 2013 unter dem Namen μAFS. Als Partner standen uns dabei das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, Infineon, Hella und Daimler zur Seite. Um nun das Ansteuerungs- und Platzproblem in den Griff zu bekommen, kombinierten wir zwei Chips, die normalerweise getrennt sind, und montierten sie übereinander. Ein Silizium-Chip mit integrierter Treiberelektronik bildete die Basis. Auf ihm montierten wir einen feinstrukturierten, vier mal vier Millimeter großen Multipixel-LED-Chip, der für die Lichterzeugung verantwortlich ist. Üblicherweise bräuchte man nun für jeden Lichtpunkt mindestens eine Leitung, also 1.024 oder mehr für 1.024 Lichtpunkte. Beim μAFS läuft die Stromversorgung aber nur über einige Anschlüsse am Silizium-Chip, von dem aus auch die Pixel digital angesteuert werden. Über ihn können wir jeden Lichtpunkt einzeln regeln, und der Abstand zwischen den Punkten verschwindet im Unterschied zu anderen Systemen durch die vergrabene und integrierte Ansteuertechnologie nahezu vollständig. Bei anderen Systemen ist immer eine kleine Lücke zwischen den Lichtpunkten zu sehen. Bei μAFS sind diese Abstände nicht mehr wahrnehmbar. Es ist eine leuchtende Fläche.

3. Die Anwendung

Mit der μAFS-Technik schafften wir völlig neue Möglichkeiten für die Frontscheinwerfer von Fahrzeugen. Wir beschlossen, für einen Scheinwerfer drei LED-Chips mit je 1.024 Lichtpunkten zu verwenden, also insgesamt über 3.000 LED-Lichtpunkte. Da jeder von ihnen einzeln angesteuert werden kann, passt sich das Licht an seine Umgebung an. Es ist dadurch möglich, ununterbrochen mit Fernlicht zu fahren, man braucht nicht mehr abzublenden. Entgegenkommende Fahrzeuge nimmt das adaptive Licht aus dem Kegel, sie werden nicht geblendet. Das heißt, je näher ein Fahrzeug kommt, desto mehr Pixel schalten sich selbst nach und nach ab, sie lassen sozusagen einen blinden Fleck, ohne dass sich dies negativ auf die Ausleuchtung der Fahrbahn auswirkt. Das Licht wird also intelligent und denkt mit: Für den Fahrer und die anderen Verkehrsteilnehmer.

4. Der Hintergrund

Kameras und Sensoren analysieren die Umgebung des Fahrzeugs. Sie können bewegliche und unbewegliche Objekte wie vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge, Straßenpfosten und Verkehrsschilder unterscheiden. Die Zentraleinheit des Fahrzeugs, sozusagen das Gehirn, verarbeitet die Informationen und bestimmt die Lichtverteilung. Sie wird über ein Steuergerät an den Silizium-Chip im Scheinwerfer geschickt, welcher die Informationen an die drei Multipixellichtquellen mit jeweils 1.024 Lichtpunkten pro Scheinwerfer weiterleitet. Der Silizium-Chip empfängt einen Bit-Datenstrom, der wiederum festlegt, wie viel Strom an jeden Lichtpunkt abgegeben wird, ob er also ein- oder ausgeschaltet wird. So erstrahlen nur die Punkte, die auch nötig sind.

5. Die Zukunft

Unsere μAFS-Technik wird sicher nicht auf Fahrzeuglichter beschränkt bleiben. Wir möchten sie so weiterentwickeln, dass man auch das Head-Up-Display, das den Straßenverlauf und die Geschwindigkeit des Wagens in die Windschutzscheibe projiziert, mit ihr ausstattet. Der große Vorteil dieser Technik ist, dass mit relativ geringem Energieaufwand auf kleinem Raum gearbeitet werden kann. Man braucht also weniger Strom. Das ist gerade für Geräte wichtig, die man mit sich herumträgt. Sie müssen nicht mehr so oft aufgeladen werden, obwohl ihre Displays komplexer, intelligenter und präziser sind. Wahrscheinlich werden wir schon bald in unserem Alltag der μAFS-Technik begegnen. Wenn wir ein Smartphone in die Hand nehmen oder Datenbrillen wie die Oculus Rift oder die Google Glass aufsetzen.

Stefan Grötsch

Projektkoordinator bei OSRAM Opto Semiconductors