Technologien
Februar 2023
Die Innenraumbeleuchtung von Fahrzeugen ist ein Zukunftsthema, das in Bezug auf die Funktionalität weit über die Erhöhung des Komforts hinausgeht. Gerade durch das autonome Fahren wird auch der Aspekt der Kommunikation immer wichtiger. Dabei ist technologisch ein einheitliches Farbbild durch den Miteinbezug von mehreren tausend LEDs eine Herausforderung. Der ISELED-Standard ermöglicht dies. Helbling hat einen ISELED-Demonstrator entwickelt, der sich inklusive der Optik kostengünstig realisieren liess.
Eines der grössten Innovationsfelder im Kraftfahrzeugbereich ist die Innenraumbeleuchtung. Licht akzentuiert nicht nur die Formgestaltung, sondern erzeugt individuelle und variable Farbszenarien. Diese erhöhen den Komfort und machen die Fahrt für die Menschen im Auto zu einem optischen und emotionalen Erlebnis. Aber Licht kann noch mehr: Über dynamische Farbwechsel und Bewegungsmuster kommuniziert das Fahrzeug mit der Person am Steuer. Sie erhält so Informationen über den Fahrzeugzustand und wird in kritischen Fahrsituationen gewarnt. Um aufzuzeigen und auszuloten, welche Möglichkeiten mit aktueller Technologie umsetzbar sind, hat Helbling einen Demonstrator entwickelt. Auch wenn dieser für Anwendungen in vielen Branchen interessant ist, wurde er spezifisch auf den Automotive-Bereich ausgerichtet. Ergänzend zum Demonstrator hat Helbling im optischen Bereich zusammen mit der Schweizer Tech-Firma Polycontact ein Kundenprojekt durchgeführt. Das darin verwendete Optik-Konzept war in Gegensatz zum Demonstrator für eine Grossserienfertigung optimiert.
LEDs werden intelligent
Das Thema der intelligenten LEDs gewinnt an Relevanz, da Signalisierung durch Lichtbilder beim autonomen Fahren eine wichtige Rolle spielen wird. RGB-LEDs, bei denen Farbe und Helligkeit beliebig eingestellt werden kann, bilden dafür die technische Grundlage. Schon heute hat aufgrund dieser neuartigen Anforderungen die Anzahl verbauter LEDs für die Interieurbeleuchtung deutlich zugenommen. Der Aufwand, einzeln verdrahtete LEDs anzusteuern, beschränkt dabei ihre maximale Anzahl. Ausserdem lässt sich auf diese Weise kein einheitliches Farbbild erzeugen, da es zu Abweichungen in der Produktion und Veränderungen während des Betriebs kommt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden LIN-Bus fähige LEDs (Local Interconnect Network) entwickelt und eine bauteilspezifische Kalibrierung eingeführt. Doch auch mit einem LIN-Bus lassen sich kaum mehr als dreissig LEDs ansteuern. Ausserdem erfordert die komplexe und dynamische Ansteuerung von umfangreichen LED-Arrangements eine verbesserte Vernetzung mit Signalverarbeitung in Echtzeit. Um dies zu erreichen, verschmilzt bei einem seit einigen Jahren genutzten Standard die LED mit einem individuell kalibrierten Logik-Controller zu einer Einheit. Mit dem ISELED-Standard (Intelligent-Smart-Embedded-LED-Standard) lassen sich Datenraten bis zu 2 Mbit/s erzielen, um über 4000 LEDs in Millisekunden zu schalten. Der in der LED enthaltene Logikcontroller wird im Fertigungsprozess kalibriert. Durch die Kalibration werden individuelle Farbunterschiede zwischen den LEDs ausgeglichen.
Helblings Demonstrator zeigt Bandbreite der Möglichkeiten
Zur Demonstration der Möglichkeiten des ISELED-Standards in Kombination mit dem Know-how im Bereich der Beleuchtungsoptik entwickelte Helbling einen kompakten Demonstrator. Anhand des Demonstrators kann der Betrachter ein perfekt homogen hinterleuchtetes Oval und ein leuchtendes Helbling-Logo betrachten. Im Fokus der Optikentwicklung lag eine blickwinkelunabhängige, homogene Ausleuchtung, die mit einer geringen Anzahl an LED erreicht werden sollte. Zudem sollten die Einzelteile des Demonstrators in kleiner Stückzahl kostengünstig gefertigt werden.
Anwendung und Funktionsumfang des Demonstrators
Der Demonstrator wird über eine USB-Schnittstelle mit Spannung versorgt. Zur Bedienung direkt am Gerät ist ein Touch-Button integriert, über den verschiedene Lichtszenarien zur Demonstration der dynamischen Farbsteuerung und -übergänge angesteuert werden. Der Demonstrator verfügt ausserdem über eine CAN-Schnittstelle. Über die PC-basierte Benutzeroberfläche lassen sich damit die einzelnen LEDs variabel ansteuern, Farbverläufe erzeugen oder dynamische Lichtwechsel (Lauflicht) konfigurieren.
Die implementierte Funktionalität realisiert die grundlegende Funktionsweise einer intelligenten Lichtsteuerung mittels ISELED. Der Demonstrator verdeutlicht ausserdem, wie mit einem einfachen Rapid-Prototyping-Verfahren das Licht weniger LEDs durch Lichtstreuung homogenisiert und dabei effizient und gezielt verteilt werden kann. Die angewendete Technologie ist vielfältig einsetzbar und hinsichtlich Schnittstellen, Mechanik und optischem Design an das jeweilige Umfeld und die Zielanwendung anpassbar.
Kostengünstige Prototypenoptik ermöglicht homogene Lichtflächen
Der im Demonstrator hinterleuchtete Lichtstreifen kann homogen in beliebigen Farben und Intensitäten ausgeleuchtet werden. Die Homogenität ist zudem blickwinkelunabhängig: Sie bleibt also auch dann erhalten, wenn der Betrachter den Leuchtstreifen nicht senkrecht, sondern von einem beliebigen Blickwinkel aus betrachtet. Für ein Serienprodukt würde man hierzu in der Regel einen Lichtleiter zur gleichmässigen Verteilung des Lichts entwickeln und anschliessend einen Diffusor zur Homogenisierung und für die Blickwinkelunabhängigkeit verwenden. Einen entsprechenden Lichtleiter kann man in der Grossserie kostengünstig per Spritzguss herstellen – im Falle des Demonstrators waren nur wenige Aufbauten erforderlich, womit sich der Aufwand für ein Spritzgusswerkzeug aus Kostengründen nicht lohnte. Daher wählten die Optik-Spezialisten von Helbling ein optisches Konzept, das auf dem Prinzip der Lichtstreuung beruht. Dieses Prinzip kann in kleiner Stückzahl sehr kostengünstig hergestellt werden.
Hierzu wurden in einem ersten Schritt die winkelabhängigen optischen Streueigenschaften der angedachten Prototyping-Materialien mit einem Goniometer im Optik-Labor vermessen. Neben der winkelabhängigen Lichtstreuung (Bidirectional scattering distribution function) war insbesondere der sogenannte TIS-Wert (Total Integrated Scatter) von Interesse. Der TIS-Wert beschreibt den Anteil des Lichts, der beim Auftreffen auf eine Oberfläche im Halbraum gestreut wird.
In einem zweiten Schritt wurden im Simulationsprogramm „LightTools“ die Geometrie, Anzahl und die Verteilung der Streuelemente berechnet und simuliert. Dank der Vermessung des Materials und der ausgeklügelten Berechnung konnte am Ende die Anzahl der verwendeten LEDs um Faktor zwei gegenüber einem Konzept ohne Streuelemente reduziert werden. Im Falle einer Serienfertigung würde das optische Element zur Streuung weniger kosten als eine doppelte Anzahl an LED. Damit können insbesondere bei hohen Stückzahlen die Kosten deutlich reduziert werden.
ISELED-Demonstrators besitzt bewährte Steuerelektronik
In der Anwendung werden die Funktionen des Demonstrators entweder über den integrierten Touch-Button oder über eine PC-basierte grafische Benutzeroberfläche gesteuert. Die Elektronik- und Softwareentwicklung führte Helbling nach bewährten Prozessen und mit dementsprechenden Werkzeugen durch: Schaltung und Layout wurden mit Altium Designer erstellt. Dabei werden die LEDs (OSIRE E4633i) über den ISELED-Baustein INLC100Q6 von Inova gesteuert. Die Firma Inova stellt dazu eine Software-Bibliothek zur Verfügung, die in die Firmware der NXP-MCU integriert wurde. Abhängig von den über das CAN-Protokoll empfangenen Signalen lassen sich so über Funktionsaufrufe der API das ISELED-Protokoll und damit die einzelnen LEDs ansprechen.
Zusammenfassung: Helbling zeigt ISELED-Optionen über Automotive-Sektor hinaus auf
Helbling Technik verfügt über ein breites Erfahrungsspektrum mit der Entwicklung von eingebetteten Systemen im Optik-Bereich. Helbling-Ingenieure realisieren die elektronische und softwaretechnische Integration eines ISELED-Systems. Zudem beherrschen sie das mechanische Design sowie die professionelle Berechnung, Simulation und Realisierung optischer Beleuchtungssysteme. Dabei ist die Automotive-Industrie in der Anwendung nur eine von vielen möglichen Bereichen. Dynamische Farbszenarien zur Signalisierung von Gerätezuständen, die eine Vielzahl von einzeln anzusprechenden LEDs erfordern, finden auch in anderen Sektoren Verwendung. Ein Beispiel ist die Konsumgüter-Industrie. Insbesondere ausgedehnte Lichtleisten oder -flächen erfordern teilweise viele LEDs und gleichzeitig eine gute optische Homogenität. Genau diese lassen sich mit ISELED und Helblings Unterstützung effizient entwickeln und flexibel anpassen.
Autoren: Johannes Eckstein, Ramon Flammer, Ralf Hediger
Hauptbild: Shutterstock
