Was ist Laserlicht?

Die nächste Generation Fahrzeugbeleuchtungstechnologie könnte Laserlicht sein. Einige große Autohersteller verwenden es bereits. Laserlicht (oder Laser-Scheinwerfer) ist Teil eines fortschrittlichen Scheinwerfersystems, das heller, energieeffizienter ist und Fahrern ermöglicht, im Dunkeln viel weiter zu sehen (sodass entgegenkommende Fahrzeuge viel früher erkannt werden können).

Laserlicht ist die neueste Scheinwerfertechnologie, die sich kontinuierlich von Halogenleuchten und Xenonlampen zu Leuchtdioden (LEDs) weiterentwickelt hat. Bei einigen Fahrzeugen wurden LED-Leuchten für die gesamte Innen- und Außenbeleuchtung eingeführt.

Laserlicht ist ein fortschrittliches Scheinwerfersystem, das einfache blaue Laserdioden verwendet, die von der Laserlichtquelle auf eine Linse mit gelber Phosphoroberfläche fokussiert werden, um helles Licht zu erzeugen.

Bei einigen Beleuchtungseinrichtungen kann roter Phosphor verwendet werden, aber für Scheinwerfer wird gelber Phosphor verwendet. Die blauen Laser sind so positioniert, dass sie auf ein Spiegelsystem fokussiert werden, wobei dann die gesamte Laserenergie auf die gelbe Phosphoroberfläche konzentriert wird.

Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der stimulierten Emission, wobei die Kombination aus blauem Lichtstrahl und gelbem Phosphor auf der Linse ein intensives weißes Licht erzeugt. Die Helligkeit und spezifische Farbe des Weißlichts wird durch das Verhältnis von blauem Laserstrahl und gelbem Phosphor bestimmt. Dieses Licht wird dann rückwärts auf einen Reflektor gestrahlt, der wiederum weißes Licht auf die Straße vor dem Scheinwerfer reflektiert. Die hohe Leistung von Laserlicht sorgt dafür, dass Nachtfahrten für Fahrer sicherer werden, da sie die Reaktionszeiten bei entgegenkommendem Verkehr verkürzen.

Laserlicht hat nicht die Dynamik gewonnen, die von den Automobilherstellern erwartet wurde, aber es gibt noch einige Anwendungsfälle. Tatsächlich wird es bereits von einigen großen Automobilherstellern wie BMW und Audi verwendet.

Neben wirtschaftlichen Hindernissen für eine umfassende Einführung gibt es zwei Hauptgründe für eine geringere Dynamik als erwartet. Der erste Grund ist die Einführung der US-amerikanischen Federal Motor Vehicle Safety Standard rule 108. Mit dieser Regel wurde die Scheinwerferleistung bei Fahrzeugen, die in den USA verkauft wurden, auf nur 150.000 Candela begrenzt. In Europa sind insgesamt bis zu 430.000 Candela zulässig, was die Akzeptanz auf dem US-Markt beeinträchtigt.

Der zweite Grund ist die Einführung von Scheinwerfern mit adaptivem Fahrlicht in den USA 2022, die eine einfachere Alternative mit vorhandener LED-Technologie boten, die den Lichtstrahl von Scheinwerfern mit viel höherer Genauigkeit steuern kann als herkömmliche LED-Scheinwerfer.

Adaptive LED-Scheinwerfer erfordern mehr Komplexität als LED-Leuchten – da sie Mikrospiegel oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS) erfordern –, sind aber vielseitiger und sicherer mit vorhandenen LED-Scheinwerfern zu verwenden. Laserlicht bietet zwar hellere Lichter, aber bei neuen Scheinwerferkonstruktionen liegt der Schwerpunkt auf der Steuerung der Lichtstrahlen, anstatt sie so hell wie möglich zu machen.

Laserlicht wird jedoch in High-End-Fahrzeuge integriert, da es derzeit zu teuer ist, um es in allen Fahrzeugen zu verwenden, die von der verbesserten Leistung profitieren könnten.

Heutzutage wird Laserlicht nur als Fernlicht verwendet, wohingegen herkömmliche als Abblendlicht LED-Leuchten verwendet werden. Laserlicht leuchtet nur auf, wenn sich in einer bestimmten Entfernung keine Fahrzeuge befinden und Geschwindigkeitsgrenzen (ca. 45 mph oder 72 km/h) überschritten wurden. Laserlicht wird derzeit in einem Hybridformat mit LED-Leuchten verwendet, aber es könnte in Zukunft möglich sein, Scheinwerfer zu schaffen, bei denen sowohl Abblend- als auch Fernlicht Laser verwenden – obwohl das Abblendlicht ein Laser mit geringer Leistung sein müsste.

Abgesehen von Scheinwerfern können Laser in vielen verschiedenen Beleuchtungsanwendungen im Fahrzeug und außerhalb eingesetzt werden, genau wie heute LED-Leuchten, einschließlich in Nahfeldprojektoren, Glasdisplays und ästhetische Beleuchtung. Diese Beleuchtung unterscheidet sich geringfügig dadurch, dass das blaue Laserlicht durch eine Glasfaser mit gelbem Phosphormantel geleitet wird. Während der Laser also durch die Faser strahlt, erzeugt er weißes Licht entlang der Faser.

Es wurden Konzeptfahrzeuge entwickelt, wie z. B. das Elektrofahrzeug Lotus Theory 1, die Laserlicht für mehrere Funktionen nutzen. Das Auto wurde zusammen mit Kyocera entwickelt, die ihre Superlumineszenzdioden-Laser (SLD) sowohl für die Innen- als auch für die Außenbeleuchtung verwendeten. Zusätzlich zu den weißen Scheinwerfern wurde die Signaturbeleuchtung im Fahrzeuginneren mittels Laser erzeugt, die mit einer Glasfaser gekoppelt waren, und das Fahrzeug verfügte auch über rote Laser-Rückleuchten am Heck.

Laserlicht ist ein fortschrittlicheres Fahrzeugbeleuchtungssystem als alle vorherigen. Allerdings gibt es trotz zahlreicher Vorteile ihrer Nutzung immer noch einige Einschränkungen, die eine flächendeckende Einführung in der Automobilindustrie bisher behindert haben.

Vorteile von Laserlicht:

• Erhöht die Sichtweite auf bis zu 800 Meter vor dem Fahrzeug, um die Reaktionszeiten für den Fahrer zu verbessern
• Verbraucht weniger Energie als andere Autoscheinwerfer, was es zu einem energieeffizienteren Scheinwerfersystem macht
• Erreicht deutlich höhere Lichtstärken mit weniger Watt Leistung als andere Scheinwerfertechnologien, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird
• Ist vielseitig im Design und kann für viele verschiedene Arten von Fahrzeugbeleuchtung verwendet werden, ähnlich wie die heutige LED-Technologie
• Lange Lebensdauer von ca. 10.000 Stunden
• Kann in vorhandene LED-basierte Scheinwerfersysteme integriert werden
• Dank der kompakten Größe von 1/100 eines LED-Elements können Konstrukteur*innen bessere Ästhetik für Fahrzeuge der gehobenen Klasse bieten, indem sie Flexibilität für kompakte Designs bieten

Einschränkungen von Laserlicht:

• Hohe Kosten im Vergleich zu LEDs und anderen Fahrzeugbeleuchtungstechnologien – derzeit drei- bis viermal so hoch wie die Kosten von LED-Technologie
• Erfordern fortschrittliche Sicherheitsfunktionen, um Personen vor Blendung durch Laserlicht zu schützen. Dies gilt sowohl für die Verwendung auf der Straße als auch in Fertigungsumgebungen, in denen verschiedene Mitarbeiter*innen mit den Scheinwerfern zu tun haben
• Benötigt fortschrittliche Sensoren, um einen sicheren Betrieb auf der Straße zu gewährleisten, was die Kosten weiter erhöht
• Geringe Anzahl von Herstellern, die Laserlicht liefern
• Es werden mehr Teile benötigt, da Scheinwerfer mit mehr als 2000 Lumen eine Scheibenwaschanlage für die Scheinwerfer benötigen (dies gilt jedoch für alle Hochleistungsscheinwerfer, nicht nur für Laserlicht, aber Laser erreichen häufiger höhere Werte)
• Könnte dadurch eingeschränkt sein, wie viel Helligkeit von Fahrzeugen benötigt wird, so dass die zusätzlichen Kosten für viele Autohersteller möglicherweise nicht gerechtfertigt sind, was dazu führt, dass LED-Technologie weiterhin die bevorzugte Option ist
• Komplexere Technologie als andere Scheinwerfer
• Konkurriert mit herkömmlicheren LED-Technologien, die auf unterschiedliche Weise weiterentwickelt und innovativ werden – wie adaptive Scheinwerfer, die zur bevorzugten Option geworden sind
• Kann nur aktiviert werden, wenn das Fahrzeug eine bestimmte Geschwindigkeitsgrenze überschreitet oder unter bestimmten Fahrbedingungen fährt
• Langsame Einführung von Laserlicht wegen gesetzlicher Vorschriften vorhergesagt 

Während sich eine Reihe von Vorteilen und Einschränkungen von Laserlicht direkt auf LED-Scheinwerfer beziehen – weil sie der aktuelle Goldstandard sind, der in neuen Fahrzeugen umgesetzt wird –, zeigt die nachstehende Tabelle die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Beleuchtungstechnologien.

Laser sind eine komplexe Lichtquelle, weshalb mehrere Tools kombiniert werden müssen, um den Laser, seine Eigenschaften, seine Ausbreitung ab der Diode und den Einsatz des Lasers in der Fahrzeugumgebung zu simulieren. Dies liegt daran, dass es sich um eine kohärente Lichtquelle mit spezifischen Eigenschaften handelt, die als vollständiges System simuliert werden müssen. Ansys bietet eine Reihe von optischen und nicht-optischen Simulationstools, mit denen das Verhalten und die Leistung von Laserlicht wie unten beschrieben untersucht werden können.

Ansys Lumerical FDTD – Software zur Simulation erweiterter dreidimensional-elektromagnetischer FDTD: Wird verwendet, um den Laserstrahl selbst zu charakterisieren und die optischen Eigenschaften des Strahls zu modellieren, bevor seine Eigenschaften auf Komponenten- und Systemebene berücksichtigt werden.

Ansys Zemax OpticStudio – Software zur Auslegung und Analyse optischer Systeme: Bewertet, wie die Dioden und Scheinwerfer der in der Software Ansys Lumerical entwickelten Laserstrahlen funktionieren und sich auf Komponentenebene verhalten, um sicherzustellen, dass sie die richtige Leistung und Projektion auf die Straße haben und sich das Licht von den Scheinwerfern wie erwartet verhält.

Ansys Speos – CAD-integrierte Software für optische und Beleuchtungssimulation: Integriert Daten aus der Software Ansys Lumerical und Ansys Zemax OpticStudio, um das Verhalten von Laserlicht auf Systemebene zu simulieren. Dabei werden viele verschiedene Fahrszenarien berücksichtigt, um sicherzustellen, dass sie Vorschriften erfüllen.

Ansys Mechanical Software für strukturelle Finite-Elemente-Analyse und die Simulationssoftware Ansys Icepak für Elektronikkühlung: Wird verwendet, um die Wärme zu messen, die von den Lasern während des Normalbetriebs abgegeben wird, um sicherzustellen, dass sie nicht so hoch ist, dass sie Betriebsprobleme oder Schäden an den Komponenten verursacht.

Ansys AVxcelerate Headlamp – Testsoftware für Kfz-Scheinwerfer: Wird verwendet, um die Leistung von Scheinwerfern in verschiedenen Echtzeit-Fahrszenarien zu simulieren und zu testen.

Auch wenn Laserlicht nicht so weit verbreitet ist wie ursprünglich angenommen, besteht noch immer großes Interesse daran, es in Zukunft weiterzuentwickeln. Wenn Sie erfahren möchten, wie Sie mithilfe von Simulationen kostengünstigeres und leistungsfähigeres Laserlicht entwickeln können, wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team.

Zugehörige Ressourcen