Beleuchtung + Sensoren für Mobilität

Die Photonik hat in den letzten Jahren in der Automobilindustrie eine Revolution erlebt. Sie hat sich von der reinen Beleuchtungsfunktion zu einer Spitzentechnologie für Bildgebung, Sensorik, intelligente Anzeigen, Medien und Kommunikationsnetze entwickelt. Folglich hat die Photonik neue Bereiche erschlossen, die weit über die Beleuchtung in Fahrzeugen hinausgehen, wie zum Beispiel in der Produktion und Qualitätskontrolle. So ist es nicht verwunderlich, dass die Automobilindustrie ein verstärktes Interesse an innovativen, photonik-basierten Technologien zeigt. Vielfältige Wachstumschancen lassen den Beleuchtungsmarkt jährlich um etwa 5 Prozent wachsen. Ein noch größerer Schub wird für den Markt der Automobil-Photonik erwartet.

Das Fraunhofer IOF setzt Forschung in anwendbare Lösungen um und bietet die komplette Photonik-Prozesskette vom Systemdesign und der Simulation über die Realisierung kundenspezifischer Lösungen bis hin zur Systemintegration. Damit bieten wir unseren Kunden die nächste Generation von Innovationen im gesamten Bereich der photonischen Anwendungen im Fahrzeug, in der Automobiltechnik, im Mobilitätsmarkt und in der Produktion an.

Sie können von unserer langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Automobil-Photonik profitieren.  Die Demonstration unserer Lösungen liefert Ideen für zukünftige Projekte, die wir auf Ihre individuellen Bedürfnisse anpassen können.

Wir sind bereit, neue Innovationen zu starten, um Ihre Ideen zu verwirklichen.

Alle auf dieser Seite vorgestellten Technologien finden Sie auch in unserer Broschüre: „Beleuchtung + Sensoren für Mobilität: Kompetenz in optischer Systemtechnik“

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Wenn es darum geht, Unfälle zu vermeiden, ist die Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern während der Fahrt entscheidend. Die Projektion von Informationen auf die Straße neben dem Fahrzeug ist eine Lösung für das Problem. Dies stellt jedoch eine ständige Herausforderung in der Entwicklung dar, da hierfür helle, kostengünstige und miniaturisierte Projektoren für eine geringe Anzahl von Bildinhalten benötigt werden.

Das Fraunhofer IOF hat eine miniaturisierte mikrooptische Array-Projektionstechnik entwickelt, die eine Projektion auf geneigte und gekrümmte Bildschirme mit einer Helligkeit von bis zu 3000 Lux ermöglicht. Die kontinuierliche Innovation hat zu Anzeigern geführt, die auch bei Tageslicht sichtbar sind. Diese Systeme dienen als Warnanzeigen für Radfahrer oder als animierte Grafiken zum Öffnen und Schließen des Kofferraums durch Winken mit dem Fuß unter dem hinteren Stoßfänger. Die Projektion von Logos über eine Signaturbeleuchtung ist ein ausgeklügeltes Feature zur Markenidentifikation. Diese Technologie kann in bestehende Beleuchtungssysteme integriert werden, wie zum Beispiel in Rückleuchten.

Automobilhersteller haben diese Funktion bereits in ihre High-End-Fahrzeuge integriert, wie beispielsweise der Welcome Light Carpet in aktuellen BMW-Modellen

Adaptive Fernlichtsysteme (ADB) sorgen für ein komfortables Fahrerlebnis, indem sie sowohl die Leuchtweite als auch die Verkehrssicherheit erhöhen. Mit individuell adressierbaren Strahlsegmenten verhindern diese Systeme die Blendung des entgegenkommenden und vorausfahrenden Verkehrs und sorgen für klare Sicht. Jüngste Fortschritte des Fraunhofer IOF in der mikrooptischen Strahlformungstechnologie haben es möglich gemacht, ein Festkörper-ADB-System zu bauen. Durch die Verwendung eines LED-Arrays und die präzise Steuerung des Kanalübersprechens erreichen ADB-Systeme eine hohe Leistung und Sicherheit im Straßenverkehr.

Das innovative LED-Lichtsystem des Fraunhofer IOF ermöglicht die Realisierung eines adaptiven Fernlichts und eines effizienten Abblendlichts. Beide Lichteinheiten lassen sich nahtlos und mit hohem Freiheitsgrad bei minimalem Platzbedarf in die Designsprache eines Fahrzeugs integrieren.

Die maskenlose, irreguläre Mikrooptik bietet eine effektive Lösung für die Strahlformung im unteren Bereich und macht absorbierende Elemente überflüssig. Dies ermöglicht eine Systemtransmission von bis zu 75 % bei einem bemerkenswert schlanken Profil.

Unsere Forschenden am Fraunhofer IOF haben ihr Array-Projektionssystem, das bereits in der Automobilindustrie etabliert ist, weiterentwickelt. Das neue maskenlose Design der Projektionsoptik eignet sich besonders für Verkehrssituationen, in denen eine hohe Sichtbarkeit von Vorteil ist, um die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer zu erhöhen.

Um die Helligkeit der Projektion zu erhöhen und die Produktion zu vereinfachen, wurde die absorbierende Folienmaske entfernt. Dadurch kann die Linse im herkömmlichen Spritzgussverfahren hergestellt werden, ohne dass die optische Qualität der Projektion beeinträchtigt wird. Auf der Grundlage dieses maskenlosen Ansatzes haben wir einen animierten projizierten Blinker entwickelt, der eine Abfolge von 3 Chevrons auf die Straßenoberfläche projiziert. 

Die Eingangslinsenöffnungen sind chevronförmig und in einem raumfüllenden Array angeordnet. Wir realisieren eine projizierte Helligkeit von 7000 Lux auf der Straßenoberfläche. Das Projektionsmodul ist 40 × 40 × 45 mm³ groß. Außerdem wurde die Mikrooptik im Spritzgussverfahren hergestellt, was eine kostengünstige Fertigung in großem Maßstab ermöglicht.

Die gezielte Kommunikation von Fahrzeugen mit anderen Verkehrsteilnehmern durch Bodenprojektion kann die Sicherheit erheblich erhöhen. Tageslichtsichtbare Systeme erfordern jedoch Helligkeitsstufen, die LED-Quellen für eine volldynamische Projektion ausschließen.

Die holografische Energieumverteilung ist der Schlüssel für eine ultrahelle Projektion, die auch bei Tageslicht sichtbar ist, wenn Laserquellen verwendet werden und ihre Energie über digitale Phasenmodulation (SLM) umverteilt wird.

Um eine große Projektionsfläche bei gleichbleibend hoher Helligkeit zu erreichen, wurde ein mehrkanaliger Ansatz demonstriert. Er ermöglicht die Erzeugung situationsabhängiger, dynamischer Intensitätsverteilungen mit einem kleinen Projektor.

Neu entwickelte Lichtfeld-Displays ermöglichen einen revolutionären Ansatz für das Design von Rückleuchten. Auf einer ultradünnen Oberfläche können großformatige 3D-Effekte erzeugt werden, die Fahrzeugen ein einzigartiges Erscheinungsbild bei Nacht verleihen.

Wir haben eine Technologie zur Realisierung einer 3D-Rückleuchte entwickelt. Die schlanke Größe der Display-Optik (ca. 3 mm) ermöglicht eine kompakte Bauweise ohne die Notwendigkeit von facettierten Spiegeln, um einen 3D-Effekt zu erzeugen. Das Lichtfeld-Display basiert auf einer Mikro-Optik mit mehreren Öffnungen zur Darstellung von Icons und Symbolen mit einem quasi 3D-Effekt, der im Raum schwebt. Die Displays erzeugen ein Sichtfeld von 20°...40°. Winzige Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 300 μm erzeugen zusammen mit einer individuell geformten und dezentrierten Anordnung von Schiebemaskenstrukturen ins Auge springende Muster und Motive.

Die Kombination von Lichtfeld-Displays mit maßgeschneiderten Diffusoren bietet noch mehr kreative Freiheiten, um einzigartige Rückbeleuchtungskonzepte zu erzeugen. Weitere Einsatzmöglichkeiten solcher Lichtfeld-Displays sind z.B. die Darstellung von Icons, Branding und mehr.

Head-up-Displays projizieren die Statusinformationen des Fahrzeugs über die Windschutzscheibe in das Sichtfeld des Fahrers. Diese komplexen optischen Systeme, die Servicedaten (z. B. Geschwindigkeit und Navigation) als Overlay anzeigen, während der Blick auf der Straße bleibt, tragen zu mehr Sicherheit und einem besseren Fahrerlebnis bei. Es ist jedoch eine Herausforderung, bei diesen komplexen optischen Systemen ein breites Sichtfeld, eine bequeme Größe der Eyebox und einen kompakten Bauraum zu vereinen, während gleichzeitig hohe Anforderungen an die Auflösung und die originalgetreue Projektion gestellt werden.

Mikro- und nano-optische Strukturen helfen, solche Grenzen zu überwinden. Wellenleiterbasierte Pupillenerweiterungsprinzipien verlangen nach hocheffizienten RGB-Kopplungsgittern. Diese werden durch Elektronenstrahllithographie großflächig unter Verwendung des Konzepts der Metastrukturen hergestellt. Diese sind für eine kostengünstige Nano-Imprint-Replikation gut geeignet.

Maßgeschneiderte Lichtdiffusorelemente, die als Zwischenbildschirm für die bilderzeugende Einheit verwendet werden, weisen eine deterministische Streufunktionalität auf. Die Kombination von achromatischer Streuung, Fokussierung und Ablenkung in einer einzigen Optik ermöglicht eine effiziente Umlenkung in den Projektionsweg und gleichzeitig kompakte Systemarchitekturen.

LiDAR-Lasersysteme (Light Detection and Ranging) in Fahrzeugen unterstützen fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und werden eine Schlüsselrolle beim autonomen und assistierten Fahren spielen. Mikrooptische Lösungen ermöglichen kompakte, leichte und kosteneffiziente Systeme.

Das Fraunhofer IOF verfügt über eine starke Kompetenz im Design und in der Herstellung von optischen Metastrukturen auf Waferebene für die hocheffiziente Laserstrahlformung für die Beleuchtung von Ultraweitwinkel-Szenerien. Integrierte mikrooptische Lösungen auf Waferebene können auch dazu beitragen, die Empfindlichkeit von Time-of-Flight (ToF)-Kamerasensoren zu verbessern, die ein integraler Bestandteil des LiDAR-Pakets sind. Diese leiden jedoch oft unter einem geringen Füllfaktor der lichtempfindlichen Bereiche, da sie viel Platz für komplexe Ausleseelektronik benötigen.

IOF-gefertigte Mikrolinsen-Arrays, die an die primäre Abbildungsoptik angepasst sind und direkt auf die CMOS-Wafer-Substrate gegossen werden, verbessern die Empfindlichkeit der SPAD-Sensoren um fast eine Größenordnung.

Die Überwachung des Fahrzeuginnenraums mit Kamerasystemen ist wichtig, um die Aufmerksamkeit und die Übernahmebereitschaft des Fahrers in kritischen Situationen zu beobachten, neue interaktive Benutzerschnittstellen zu ermöglichen und weitere Sicherheitsfunktionen zu unterstützen.

Eine ultrakompakte Weitwinkelkamera mit Time-of-Flight (ToF)-Sensor für 3D-Messungen wurde entwickelt, um eine hohe Kompaktheit (<10 mm Objektivhöhe) und ein großes diagonales 180°-Sichtfeld (FoV) mit geringer optischer Verzerrung zu realisieren.

Erreicht wird dies durch die Verwendung eines hybriden Multi-Apertur-Abbildungsansatzes in Kombination mit Prismen, die das gesamte Sichtfeld kacheln. Spritzgegossenes Glas und Polymer-auf-Glas-Elemente im Wafer-Maßstab ermöglichen die für hohe Automobilstandards erforderliche Temperaturstabilität. Ein geeigneter Time-of-Flight-Sensor ermöglicht zusätzliche 3D-Messungen.

Die Erkennung der Umgebung von Fahrzeugen, die mit Kamerasystemen ausgestattet sind, ist für die Erkennung von Fußgängern und Fahrrädern in zukünftigen Fahrzeugen notwendig. Unter herausfordernden Umgebungsbedingungen wie Nebel, Regen, Nacht oder grellem Sonnenlicht können klassische Systeme jedoch versagen und erfordern zuverlässigere Sensorinformationen.

Mehrkanalige katadioptrische Wärmebilder sind der Schlüssel. Katadioptrische Systeme auf der Grundlage von Spiegeln und dünnen Siliziumkorrekturplatten, die in kostengünstiger und parallelisierter Wafer-Technologie hergestellt werden, erreichen ein diagonales Sichtfeld (FoV) von 12,5° bei niedriger Blendenzahl (F/1,1) und hoher Transmission. Zur Erzielung eines großen Gesamtsichtfeldes wurde ein Mehrkanalansatz mit Siliziumprismen zur Ablenkung demonstriert, bei dem mehrere niedrig auflösende ungekühlte Mikrobolometerkameras (Auflösung: 160 × 120 Pixel bei 12 μm Pixelabstand) hinter dem Optikmodul eingesetzt werden.

Die derzeit konfigurierte 2 × 4-Kanal-Wärmebildkamera hat eine optische Länge von weniger als 18 mm und eine laterale Größe von 70 × 35 mm² mit einem diagonalen Gesamtbildwinkel von 36° (Bildformat 1:2,5) und einer Winkelauflösung von 16 Pixel/Grad.

Die optische 3D-Messtechnik ist ein vielseitiges Werkzeug, das in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt wird. Insbesondere hochdynamische Prozesse wie das Aufblasen eines Airbags erfordern Hochgeschwindigkeitstechnik, um diese bewegten Objekte in voller 3D-Darstellung zu untersuchen und auszuwerten.

Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskamerasystemen in Verbindung mit Gobo-Projektion und parallelisierter Datenverarbeitung haben Forscher am Fraunhofer IOF Projektions-, Aufnahme- und Auswertungstechnologien mit Multi-Kilohertz-Bildraten entwickelt. Damit lassen sich bis zu 1.500 3D-Bilder pro Sekunde mit jeweils 1 Million 3D-Pixeln oder sogar 50.000 3D-Bilder pro Sekunde mit jeweils 250.000 3D-Pixeln erfassen und auswerten.

Wir haben diese innovative Technologie bereits an unsere Kunden weitergegeben. Eines dieser Systeme kann den Crashtest eines kompletten Fahrzeugs aufnehmen; ein anderes System wurde optimiert, um einen Crashtest aus dem Inneren des Fahrzeugs aufzunehmen - und dabei die starke negative Beschleunigung während des Crashs zu überstehen.

Viele industrielle Produktionsanlagen verlangen zur Qualitätssicherung eine 100-prozentige Kontrolle der hergestellten Waren. Um dies bei hohen Produktionsraten zu gewährleisten, sind Inline-Messlösungen für eine effiziente Produktion unerlässlich.

Wir entwickeln kundenspezifische, vollautomatische, roboterbasierte, berührungslos messende, optische 3D-Inline-Inspektionssysteme. Diese Systeme können Flächen von wenigen Quadratmillimetern bis zu mehreren Quadratmetern mit Raten im Millisekundenbereich messen. Zum Einsatz kommen speziell entwickelte optische Systeme und parallelisierte 3D-Algorithmen auf Basis von Multiprozessorsystemen. Die vollflächige Messung kann lokale Verformungen und Defekte gleichzeitig erkennen und interpretieren. Die 3D-Messgenauigkeit liegt im Bereich von 10^-4 der Messfelddiagonale.

Wir haben bereits Systeme in die Qualitätskontrolle von gegossenen Motorblöcken, großen Industriekatalysatoren, Flugzeugtriebwerken und vielem mehr integriert. Die resultierenden Daten sind mit den gängigen CAD-Systemen kompatibel. Ihre Ideen oder Projekte können auf der Grundlage unserer mehr als 25-jährigen Erfahrung in der 3D-Messtechnik realisiert werden.

In der optischen Industrie spielen Oberflächenbeschichtungen eine entscheidende Rolle, um maßgeschneiderte Oberflächen für verschiedene Anwendungen zu schaffen. Am Fraunhofer IOF sind wir auf die Entwicklung von Oberflächenfunktionalisierungen und multifunktionalen optischen Schichtsystemen spezialisiert.

Unser Fachwissen erstreckt sich auf die Arbeit mit Kunststoffen, Glas und Metall, und wir haben diese Technologien erfolgreich auf die Produktion und die Großserienfertigung übertragen. Mit unserem fundierten Wissen und unseren fortschrittlichsten Technologien sind wir hervorragend in der Lage, optische Schichtsysteme zu entwerfen und zu simulieren, Beschichtungsprozesse zu entwickeln und Oberflächen und Beschichtungen zu charakterisieren.

Unser Angebot umfasst eine breite Palette von Oberflächenbeschichtungen, darunter: Ultrabreitband-Antireflexbeschichtungen, kratzfeste Beschichtungen auf Kunststoffen, Zusatzfunktionen wie Antibeschlag und Selbstreinigung, dauerhafte metall-dielektrische Beschichtungen, transparente leitfähige Beschichtungen.

Darüber hinaus bieten wir umfassende Prüfverfahren wie Umwelttests, mechanische Prüfungen und die Bewertung der optischen Eigenschaften an. Wir sind auch auf die Analyse von Beschichtungsfehlern und Lebensdauerstudien spezialisiert. Darüber hinaus sind wir in der Lage, die Lichtstreuung und das Erscheinungsbild zu messen und so genaue und zuverlässige Daten für Ihre spezifischen Anforderungen zu liefern.