LED-Scheinwerfer: Was hochpräzise Messtechnik für Licht leistet

| Autor / Redakteur: Martin Senft * / Hendrik Härter

Licht auf die Straße: Komplexe LED-Scheinwerfer müssen verschiedene Normen erfüllen. Dazu ist präzise Lichtmesstechnik notwendig.
Licht auf die Straße: Komplexe LED-Scheinwerfer müssen verschiedene Normen erfüllen. Dazu ist präzise Lichtmesstechnik notwendig. (Bild: ©valtrifon - stock.adobe.com)

Die LED für Automobilbeleuchtung sorgt für Sicherheit und Komfort auf der Straße. Doch müssen LED-Scheinwerfer strenge Vorgaben und Normen einhalten. Hier ist hochpräzise Messtechnik gefragt.

Die Lichttechnik am Automobil entwickelt sich ständig weiter und ist einer schnellen Entwicklung unterworfen. Bis zu den 1980er Jahren bestand ein Autoscheinwerfer noch aus einer Glühlampe, einem Reflektor und einer Streuscheibe. Heute sind Scheinwerfer und die weiteren Leuchten am und im Auto hochkomplexe Gebilde aus bis zu 1000 Einzelteilen. Der Siegeszug der LED hat daran einen bemerkenswerten Anteil. Mit der LED wird vieles möglich, stellt jedoch auch gleichzeitig hohe Anforderungen an die Messtechnik. Denn bevor ein Autoscheinwerfer für den Straßenverkehr zugelassen wird, muss dieser ausgiebig getestet werden.

Bis in die 1980er Jahre enthielten praktisch alle Automobilscheinwerfer und -leuchten ausschließlich Glühlampen als Lichtquelle. Erst Anfang der 1990er kam mit miniaturisierten Hochdruck-Entladungslampen das Xenonlicht auf, welches eine deutlich bessere Ausleuchtung der Fahrbahn bei gleichzeitig verringertem Stromverbrauch und höherer Lebensdauer brachte. Sein bläuliches Licht wurde allerdings vom entgegenkommenden Verkehr oft als unangenehm empfunden. Inzwischen hat die LED breiten Einzug gehalten. Zunächst waren es rote und gelbe LEDs für die Rück- und Blinkleuchten. Beim Bremslicht brachte die LED durch ihr verzögerungsfreies Ansprechen einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn. Und seit der Weißlicht-LED steht eine Halbleiter-Lichtquelle auch für den Frontbereich zur Verfügung.

Vorteile der LED im Fahrzeug

Die LED bringt ganz verschiedene Vorteile: Beispielsweise lässt die geringe Größe der LED-Bauelemente den Automobilherstellern genügend Raum für markenspezifisches Design was wiederum beim Tagfahrlicht verwendet wird. Kombiniert man mehrere LEDs, so sind komplexe Lichtverteilungen möglich, die beim sogenannten adaptiven Frontlicht verwendet werden. Dieses wird von Kameras und weiteren Sensoren in Abhängigkeit von Umgebung, Fahrsituation und Fahrgeschwindigkeit gesteuert und ermöglicht sowohl eine breite Ausleuchtung des Nahbereichs im Stadtverkehr als auch eine hohe Lichtreichweite bei Autobahnfahrten.

Realisiert wird das mit dem sogenannten blendfreien Fernlicht. Weitere Vorteile der LED-Technik: Sie benötigen weniger Energie und unterliegen praktisch keinem Verschleiß. Neueste Entwicklungen kombinieren LED-Licht mit LCD- oder DLP-Projektoren und können fast beliebige Lichtverteilungen und sogar Verkehrszeichen oder andere Symbole auf die Fahrbahn projizieren.

Das Leuchtendesign messtechnisch bewerten

Für Automobilscheinwerfer und -leuchten existieren strenge Vorgaben und Normen. Diese müssen Hersteller in der Entwicklung und zur Fahrzeugzulassung belastbar einhalten. Der Lichttechnik-Entwickler braucht daher hochwertige und präzise Möglichkeiten, um sein Leuchtendesign messtechnisch zu bewerten. Die Reichweite des Lichtkegels, die gleichmäßige Ausleuchtung der Fahrbahn und die möglichst zu vermeidende Blendung anderer Verkehrsteilnehmer sind nur einige Kenngrößen für einen Scheinwerfer. Bei Rückleuchten spielen die Lichtfarbe und die gute Erkennbarkeit eine wichtige Rolle. Vor allem sind diese Lichtquellen aber sicherheitsrelevante Fahrzeugteile. Sie unterliegen der Zulassung durch akkreditierte Prüfinstitute, denen die Einhaltung gesetzlicher Normen vor der Markteinführung nachzuweisen ist.

Die Normung zur Fahrzeugzulassung ist überschaubar geregelt. In der EU gelten für den Straßenfahrzeugbereich die ECE-Regelungen. Gemäß diesem Abkommen von 1958 genügt die Zulassung eines Fahrzeugs oder Fahrzeugteils in einem der Unterzeichnerstaaten für die Anerkennung aller übrigen Teilnehmerstaaten. Viele Nicht-EU-Staaten haben sich diesem System angeschlossen oder setzen – wie China oder Indien – ein den ECE-Regeln sehr ähnliches Regelwerk ein. Die USA dagegen verwenden ein stark abweichendes System, die Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS).

Von Messgrößen und den verwendeten Messgeräten

Was genau wird gemessen? Der weitaus größte Teil der lichttechnischen Anforderungen an Automobilleuchten bezieht sich auf die Lichtstärke und deren räumliche Verteilung. Die Lichtstärke gibt den pro Raumwinkelelement abgestrahlten Lichtstrom an und wird in Candela (cd) gemessen. Die Verteilung der Lichtstärke beschreibt dann den Verlauf der Lichtstärke als Funktion der Ausstrahlrichtung. Winkelabhängige Messgrößen werden üblicherweise mit dem Goniophotometer (Bild 1) ermittelt, mit denen die Leuchten umfassend charakterisiert werden können. Der Detektor befindet sich auf einer fiktiven Kugeloberfläche, welche Position um Position abgerastert wird. Die zu prüfende Lichtquelle sitzt im Zentrum. In der Praxis ist der verfügbare Raum für diese Messaufbauten oft begrenzt und macht die Einhaltung der genormten Messabstände von bis zu 25 m bei einem Scheinwerfer schwierig. Eine platzsparende Variante löst das Problem: Es bewegt sich nicht der Detektorkopf, sondern der Prüfling.

Wie die zu prüfenden Scheinwerfer vermessen werden

Für Messungen an Fahrzeugen kommen meist Systeme mit einer Typ-A-Achsenanordnung zum Einsatz (Bild 2). Der zu prüfende Scheinwerfer wird auf einem um die Hochachse drehbaren Probentisch befestigt. Dieser ist an einem Schwenkarm für die vertikale Bewegungsachse montiert. Die optische Achse, auf der sich auch der Detektor befindet, verläuft durch den Schnittpunkt beider Drehachsen und senkrecht zu diesen. Lineare Justage-Achsen in allen drei Raumrichtungen sorgen dafür, dass sich das Lichtzentrum des Prüflings im Schnittpunkt der beiden Rotationsachsen befindet. Für Automobilleuchten gibt es genormte Messabstände, die einzuhalten sind. Sie betragen 25 m für Scheinwerfer und 3,162 m für Signalleuchten. Bei einer typischen Winkelauflösung des Goniometers von 0,01° ergibt dies eine räumliche Auflösung von ungefähr 4,4 mm in einer Entfernung von 25 m. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Stabilität und Präzision der mechanischen Konstruktion des Goniometers.

Das als Detektor meist eingesetzte Photometer misst mit der Beleuchtungsstärke die mit dem Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges bewertete Strahlungsleistung pro beleuchteter Fläche. Die Multiplikation mit dem Quadrat des Messabstandes ergibt die gesuchte Lichtstärke des Prüflings. Verwendet man als Detektor ein Spektralradiometer, dann lassen sich zusätzlich die Lichtfarbe und weitere wichtige Kenngrößen wie Rot- oder UV-Anteil bestimmen. Besitzt der Detektor eine hinreichend kleine Lichteintrittsfläche, so lassen sich noch feine, räumliche Details der Lichtverteilung auflösen. Die gesamte Anordnung wird üblicherweise in einem ausreichend großem Lichtlabor betrieben, das mit mattschwarzen, reflexionsarmen Wand- und Bodenflächen, um das Streulicht zu minimieren.

Normen für den Messaufbau

Normen existieren nicht nur für die Leuchten, sondern auch für die Messaufbauten. Institutionen wie DIN, GTB oder CIE haben zur Automobil-Lichtmessung zahlreiche Standards und Empfehlungen herausgegeben. Diese beschreiben einerseits Qualitäts- und Genauigkeitsanforderungen an das verwendete Equipment. Dazu zählen Goniometer, Photometer und Spektralradiometer, aber auch die Stromversorgung des zu vermessenden Prüflings und die Eigenschaften des Lichtlabors. Anderseits geben sie Empfehlungen hinsichtlich der Prüflingsmontage und -justage und die eigentliche Messung.

LEDs lassen sich durch (Pulsweiten-)Modulation einfach und präzise dimmen. Damit eröffnen sich in der Fahrzeugbeleuchtung interessante Möglichkeiten. So kann eine eingebaute LED mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen: als Bremslicht und für das Rücklicht. Das in den Frontscheinwerfer integrierte Tagfahrlicht wird gedimmt, um die Erkennbarkeit des Blinkers bei dessen Betätigung zu verbessern. Und beim blendfreien Fernlicht sorgt das Dimmen der einzelnen vertikalen Streifen bei Annäherung eines entgegenkommenden Fahrzeugs für weiche Übergänge der dynamischen Lichtverteilung.

Das messtechnische Problem bei modulierten LEDs

Für die Messtechnik sind modulierte LEDs etwas schwieriger zu handhaben. Fahrzeugleuchten besitzen übliche Modulationsfrequenzen von wenigen hundert Hertz. Eine auf halbe Helligkeit gedimmte LED ist somit die Hälfte der Zeit für mehrere Millisekunden ausgeschaltet. Zwar lässt sich die Lichtstärke durch zeitliche Mittelwertbildung einfach bestimmen, wenn die Lichtquelle stillsteht. Um Messzeit einzusparen, wird die Lichtverteilung aber meist On-the-Fly, also in der Bewegung, mit dem Goniophotometer abgerastert. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann dabei bis zu 50°/s betragen, so dass es Messabschnitte im Bereich von einem Zehntelgrad gibt, in denen die LED nicht leuchtet. Dennoch soll die Lichtstärke auch an diesen Positionen bestimmt werden.

Oft ist die Modulationsfrequenz der vermessenen LED nicht bekannt, nicht beeinflussbar und nicht zwingend synchron mit dem gewählten räumlichen Abtast-Raster. Ein geeignetes Photometer kombiniert High-Speed-Analogverstärker und digitale Signalverarbeitung. Adaptive Filter sorgen mit weiteren Echtzeit-Prozessschritten dafür, dass modulierte LEDs ohne Kenntnis der Signalform – im Rahmen des physikalisch Möglichen – ebenso wie Gleichlichtquellen mit dem Goniophotometer präzise gemessen werden können.

Die Signalverarbeitung im Photometer wird über Software ermöglicht, wodurch jederzeit ein Remote-Update und damit die Anpassung an zukünftige, noch nicht bekannte Signalformen und Lichttechnologien möglich ist.

Vielfältige Anforderungen und Möglichkeiten forcieren den Einsatz von LEDs. Immer ausgefeiltere Verfahren und Produkte stellen sowohl für den Autofahrer als auch für die anderen Verkehrsteilnehmer eine optimale Beleuchtungssituation sicher. Die Lichtmessung ist mit speziell auf die Anforderungen der Automobil-Lichttechnik abgestimmten Geräten und Systemen ein wichtiges Hilfsmittel, um die Ergebnisse zu bewerten und zu qualifizieren.

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* Martin Senft ist Head of R&D bei Instrument Systems Optische Messtechnik an der Niederlassung Berlin.

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