Es werde Licht

Als Scheinwerfer wird ein Element der Fahrzeugbeleuchtung bezeichnet, welches grundsätzlich Licht in Fahrtrichtung abstrahlt und damit einen wichtigen Teil zur Ausleuchtung des unmittelbar vor der Fahrtstrecke liegenden Weges beiträgt; aber auch zur Verkehrssicherheit für andere Verkehrsteilnehmer. Die Geschichte dieser Art der Fahrzeugbeleuchtung reicht bis zum Beginn der Automobilgeschichte zurück. Damals waren noch seitlich angebaute oder auf der Motorhaube aufgesetzte Laternen ohne Farbfilter üblich, die aber später durch elektrisch betriebene Lampen ersetzt wurden. Die Abblendfunktion, die heute ein elementarer Bestandteil der Lichttechnologie ist, ist auf eine Abblendeinrichtung für die damals üblichen Karbidlampen (eine Art von Gaslampe, bei welcher der Brennstoff erst kurz vor der Verbrennung in Gas umgewandelt wird) aus dem Jahre 1908 zurückzuführen. Dabei wurde über einen Bodenzug ein Hebel betätigt, der die Gasflamme aus dem Brennpunkt des Reflektors verschob. 1925 brachte Osram eine sogenannte Zweifadenlampe für kombiniertes Fernund Abblendlicht auf den Markt.

Die ersten Einfaden-Halogenlampen, also die Konstruktion, die heute noch in den Halogenglühlampen zu finden ist, kamen 1964 als Typ H1 und H3 auf den Markt. Philips präsentierte vier Jahre später die Zweifaden-Halogenlampe H4 für Fern- und Abblendlicht, die aber erst im Herbst 1971 für den Mercedes-Benz 350 SL auf dem Markt erschien. Zuerst in der BMW-7er- Reihe und dort anfangs nur als Abblendlicht kamen 1991 als vorerst letzte Entwicklungsstufe Scheinwerfer mit Gasentladungslampen (Xenonlicht) zum Einsatz. Erst 2008 kamen aufgrund einer Sondergenehmigung der EU überhaupt Leuchtdioden für Scheinwerfer infrage. Zuvor war diese Lichttechnologie nur für Rücklichter zugelassen. 2014 brachte BMW mit dem i8 das erste Serienfahrzeug mit Laserlicht auf den Markt. Für diese Lichttechnologie erzeugen Laserdioden einen blauen Laserstrahl, der durch eine Leuchtstoffschicht (Fluoreszenz) in tageslichtweißes Licht umgewandelt wird.

Die Unterschiede
Wer bei Dunkelheit mit dem Auto unterwegs ist, nimmt Helligkeit und Farbigkeit der Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge unterschiedlich wahr. Deshalb fällt es auf, dass uns nachts nicht mehr nur die leicht gelblich wirkenden Halogenlichter begegnen, sondern auch die kaltweißen Xenon- sowie LED-Beleuchtungen. Und immer häufiger trifft man auch auf Pkw, die mit besonders hellem, annähernd weißem Laserstrahl auf einen zukommen.

Dass die Helligkeit der Lichtsysteme nicht nur subjektiv unterschiedlich wahrgenommen wird, sondern auch technische Unterschiede aufweist, zeigt sich nicht zuletzt in der Reichweite bei der Ausleuchtung: Während ein herkömmlicher Halogenscheinwerfer bis etwa 140 Meter leuchtet, schafft es das Laserlicht bis 500 Meter Reichweite. Xenon- und LED-Lampen erreichen etwa 240 Meter. Natürlich nur bei Fernlicht: Das Abblendlicht ist in Deutschland ohnehin auf eine Reichweite zwischen 60 und 70 Meter limitiert.

Osram stellte zudem Anfang 2019 die zweite Generation seiner Laserdioden vor, welche bei gleicher Lichtleistung noch kleiner designt und gebaut werden können als bisher. Diese sollen laut Walter Rothmund, Marketing Manager Automotive für den Bereich Emitter Laser Sensor bei Osram Opto Semiconductors, kraftvolles Licht mit kompakten Abmessungen vereinen. In puncto Helligkeit seien Laserdioden den LEDs ohnehin überlegen: „Der blaue Laser erreicht bei einem typischen Betriebsstrom von 2,2 Ampere eine optische Leistung von 3,5 Watt und emittiert blaues Licht mit einer Wellenlänge von 447 Nanometern. Mit Hilfe einer entsprechenden Optik wird das Laserlicht auf einen Punkt mit nur wenigen Mikrometern Durchmesser fokussiert. Ein spezieller Phosphorkonverter wandelt das blaue Licht in das für Frontbeleuchtungsanwendungen gewünschte weiße Licht um. Die dadurch erreichbare Leuchtdichte liegt um den Faktor 3 höher als die einer LED-Lichtquelle. Im Vergleich liegt der Laser bei 600 cd/mm², während die LED auf rund 200 cd/mm² kommt“, erklärt Rothmund.

Flexibilität
Aber nicht nur die Art der Lichtquelle ist entscheidend, auch die Lichtverteilung spielt eine wichtige Rolle. Außer Nebellampen als Zusatzlicht sind Abbiege- oder Kurvenlicht vielfach schon serienmäßig eingebaut. Wer sich für ein Auto mit Xenon-, Laser- oder LED-Scheinwerfern entscheidet, kommt häufig in den Genuss von intelligent gesteuerten Systemen, die sogar selbstständig zwischen Abblend- und Fernlicht wechseln oder die Straßen je nach Umgebung unterschiedlich bestrahlen.

Eines der ersten lichtbasierten Assistenzsysteme war das dynamische Kurvenlicht, dessen Einführung 2003 erfolgte. Bei diesem System schwenken die Xenon-Lichtmodule in Abhängigkeit vom Lenkwinkel. So soll der Sichtbereich in Kurven nahezu verdoppelt werden. Das Konzept dahinter ist nicht neu: So wurde beispielsweise ab 1968 im DS von Citroën ein Kurvenlicht serienmäßig angeboten, das über einen Seilzug mit der Lenkung verbunden war und das Licht des Fernlichtscheinwerfers somit in die Kurve neigte. Kurz darauf erfolgte jedoch aus Sicherheitsgründen das Aus für die Schwenklichter, deren Verbot erst 2002 durch eine entsprechende ECE-Regelung wieder aufgehoben wurde.

Eine Weiterentwicklung des dynamischen Kurvenlichtes stellt das Adaptive Frontlighting System (kurz: AFS) dar: Hier wird neben dem Lenkwinkel noch auf die Geschwindigkeit als ein Parameter für die Ausleuchtung der Straße zurückgegriffen. Anhand dieser fahrzeuginternen Daten können mithilfe der Walze eines Projektionsmoduls unterschiedliche Lichtverteilungen zum Beispiel für Stadtoder Landstraßen, Schlechtwetter- oder Autobahnlicht erzeugt werden. Charakteristisch für die Walze ist, dass sie zum einen unterschiedlich konturiert und zum anderen um die eigene Längsachse drehbar ist. Dazu wird die Walze mithilfe eines Schrittmotors innerhalb von Millisekunden in die jeweils benötigte Position gedreht. Für die Ingenieure von HELLA ist das sogenannte VarioX-Projektionsmodul ein äußerst geeigneter Weg, ein solch situationsabhängiges, automatisches Scheinwerfer-System zu realisieren. „Hiermit lassen sich mit nur einer Xenon-Lichtquelle bis zu fünf verschiedene Lichtverteilungen erzeugen: Neben dem konventionellen Abblend- und Fernlicht können zusätzlich noch Stadt-, Autobahn- sowie Schlechtwetterlicht mit dem gleichen Scheinwerfermodul realisiert werden“, gab man seitens des Lichttechnikherstellers zu verstehen.

Noch einen Schritt weiter geht die Entwicklung der adaptiven Hell-Dunkel- Grenze (aHDG). Hierbei wird zur Erzeugung der Lichtverteilungen auf Daten aus dem Fahrzeugumfeld zurückgegriffen. Eine Kamera erkennt entgegenkommende sowie vorausfahrende Fahrzeuge und dreht mithilfe eines Schrittmotors die Walze des VarioX-Moduls innerhalb weniger Millisekunden in die benötigte Position. Somit endet der Lichtkegel immer direkt vor den entgegenkommenden beziehungsweise hinter den vorausfahrenden Fahrzeugen. Dadurch kann die Reichweite des Abblendlichtes von circa 65 auf bis zu 200 Meter erhöht werden. Ist die Strecke frei, schaltet das System automatisiert auf Fernlicht um, sodass jederzeit eine optimale Sicht für den Fahrer gegeben ist. Zusätzlich können über die vertikale Winkelinformation der relevanten Objekte im Kamerasichtfeld Informationen über die Streckentopografie gewonnen werden, was die Ausleuchtung im Gelände mit Höhen und Tiefen zusätzlich verbessern soll. Die Einstellung der möglichen Scheinwerferreichweite basiert auf der Kontrolle des Blendniveaus anderer Verkehrsteilnehmer. Eine störende Blendung wird so ausgeschlossen und die maximale Abblendlichtverteilung wird geboten.

Besonders bei höheren Geschwindigkeiten und ungerader Streckenführung reicht die Reichweite des Abblendlichtes jedoch häufig nicht aus. Dennoch nutzen viele Autofahrer das Fernlicht nicht, da sie befürchten bei Gegenverkehr nicht rechtzeitig reagieren zu können und so andere Verkehrsteilnehmer zu blenden. Das blendfreie Fernlicht soll hier Abhilfe schaffen: Das System bestehend aus einer Frontkamera, leistungsfähiger Software sowie intelligenter Lichttechnik blendet automatisch diejenigen Bereiche des Verkehrsraums aus der Fernlichtverteilung aus, die andere stören würden. Dabei kann dieser ausgeblendete Sektor dem detektierten Verkehrsteilnehmer sogar dynamisch folgen. Der Bereich direkt vor dem Fahrzeug ist permanent durch eine Standardlichtverteilung, vergleichbar mit dem heutigen Abblendlichtniveau, ausgeleuchtet. Die Helligkeit des veränderlichen Bereichs über der Hell-Dunkel-Grenze kann lokal angepasst werden. Das blendfreie Fernlicht kann mittels einer speziellen Mantelfläche der drehbaren Walze im Projektionsmodul realisiert werden. Auf Basis der Bildverarbeitung und durch intelligente Einstellungen des Projektionsmoduls wird so der entgegenkommende Verkehr durch Weglassen von blendungskritischen Bereichen aus der Fernlichtverteilung herausgenommen. Für den Fahrer bleibt die Fernlichtverteilung erhalten, was im Vergleich zu herkömmlichen Systemen eine beträchtliche Erhöhung der visuellen Reichweite bedeutet.

LEDs bieten die umgekehrte Möglichkeit: Dadurch, dass sie einzeln adressierbar sind, können gezielt Objekte, beispielsweise am Straßenrand spielende Kinder, angeleuchtet werden. So wird die Aufmerksamkeit des Fahrers rechtzeitig auf diese Gefahrenquellen gelenkt und ihm eine frühere Reaktion ermöglicht. Herzstück der Matrix-LED-Scheinwerfer ist aber das mit einem mechanikfreien System umgesetzte blendfreie Fernlicht. Im Unterschied zu der mechanischen Variante werden einzelne LEDs in Sekundenbruchteilen durch Abschalten oder Abdimmen aus der Fernlichtverteilung ausgespart. Der Einsatz der Matrix-Technologie ermöglicht es dabei erstmalig, mehrere Tunnel gleichzeitig zu öffnen, beispielsweise in dem Fall, dass mehrere entgegenkommende Fahrzeuge hintereinander fahren. Während diese „ausgeblendet“ werden, leuchtet das Fernlicht alle Bereiche zwischen den Fahrzeugen sowie links und rechts davon weiterhin voll aus. Neben dem gezielten Ausblenden anderer Fahrzeuge passt sich der Lichtkegel des Matrix-Fernlichtes der Fahrsituation an, beispielsweise bei Kurvenfahrten. Hierbei wird die Intensität des Lichtkegels durch unterschiedliche Ansteuerung der LEDs in der Seite variiert oder auf die Fahrbahnmitte konzentriert. Damit verbessert sich die Sicht des Fahrers bei Nacht signifikant, gleichzeitig entfällt für den Gegenverkehr das Sicherheitsrisiko Blendung.

Je nach Modell und Hersteller sind die Matrix-LED-Scheinwerfer unterschiedlich aufgebaut: Beim Audi A5 beispielsweise erzeugen 26 Leuchtdioden pro Scheinwerfer sämtliche Lichtfunktionen. Dabei arbeiten in jedem Scheinwerfer 14 LEDs für das Abblend- und Fernlicht, ergänzt um ein Modul für das Allwetter- und Abbiegelicht. Ein Lichtleiter am oberen Rand des Scheinwerfers erzeugt das Tagfahr-, Stand- und Blinklicht. Für Kreuzungen, Landstraßen, Autobahn und schlechtes Wetter stehen spezielle Ausleuchtungsfunktionen bereit – die Zusammenarbeit mit dem Navigationssystem macht das Leistungsspektrum noch größer.

Doch der Flexibilität ist dank LED-Technik kein Ende gesetzt: So hat Mercedes-Benz auf dem Genfer Autosalon im vergangenen Jahr das sogenannte Digital Light vorgestellt. Dabei wird der Scheinwerfer zu einem HDBeamer, der Bilder oder Verkehrszeichen auf die Straße projizieren kann. Grundlage hierfür war die Zusammenarbeit mit Texas Instruments und den Reutlinger Lichtspezialisten Automotive Lighting, aus der ein Scheinwerfer mit einer Million Lichtpunkten entstand. Ein Vergleich verdeutlicht den Unterschied zum derzeitigen „State of the Art“-Scheinwerfer, dem 84-Pixel- Licht. Mit ihm lässt sich in 100 Meter Entfernung vor dem Auto eine Fläche von 2,4 mal 1,8 Meter präzise beleuchten oder eben aus dem Lichtkegel ausblenden. Mit dem Digital Light der Stuttgarter ist die Fläche nur noch 4 mal 2,5 Zentimeter klein.