Digitales Licht –
intelligente LED-Technologie
für die Welt von morgen

 
Das nominierte Team hat eine Scheinwerfer-Lichtquelle auf den Weg gebracht, die kleiner, leichter, effizienter, intelligenter und präziser in ihrer Lichtabstrahlung ist als bisherige Systeme. Ein Scheinwerfer soll die Straße möglichst genau und hell ausleuchten, ohne dabei andere zu stören oder gar durch starkes Blenden zu gefährden. Aber wie macht man das?

Diese Herausforderung lässt sich nur lösen, wenn sich das Licht in seiner räumlichen Verteilung steuern lässt und es sich somit auf die jeweilige Situation optimal anpasst. Mit einer einfachen Abblend-Fernlichtkombination lässt sich das nicht realisieren. Deshalb hat die neue Lichtquelle nicht nur zwei, sondern sogar 25.600 LEDs in einer Matrix aus 320 x 80 Lichtpunkten. Dabei lässt sich jede einzelne LED durch ein digitales Signal ansteuern. Zusammen mit einer Optik entsteht so ein Scheinwerfer, der ähnlich wie ein Videoprojektor funktioniert.

• Dr. rer. nat. Norwin von Malm, ams-OSRAM International GmbH, Regensburg
  (Sprecher des Teams)
• Stefan Grötsch, ams-OSRAM International GmbH, Regensburg
• Dr.-Ing. Hermann Oppermann, Fraunhofer IZM, Berlin

 
Bereiche, die hell sein sollen, werden somit präzise ausgeleuchtet, während andere Bereiche, wie etwa ein entgegenkommendes Fahrzeug, im Dunklen bleiben, um den Gegenverkehr nicht zu blenden. Ohne die Sicht anderer Verkehrsteilnehmer zu beeinträchtigen, erlebt der Fahrer dennoch außerorts ein komplettes Fernlicht. Das bringt ein Plus an Sicherheit.

Das Neue und Besondere an diesem System ist, dass es nicht nur mit minimalem Bauraum auskommt, sondern auch sehr effizient arbeitet. Denn nur die für die gewünschte Lichtverteilung wirklich benötigten LEDs werden eingeschaltet. Andere Systeme mit passiver Lichtmodulation arbeiten mit Abschattung. Das bedeutet, dass eine Primärlichtquelle durchgehend mit voller Leistung betrieben und anschließend das unerwünschte Licht wieder weggefiltert wird. Das hat Nachteile: Zum einen ist es nicht effizient, Licht zu erzeugen und es gleich wieder zu vernichten, zum anderen muss die so entstehende Verlustleistung abgeführt werden, was wiederum große und teure Kühlsysteme bedingt. Bei dem neuen System entstehen diese Verluste gar nicht erst, denn es werden nur die LEDs in der Matrix eingeschaltet, die auch tatsächlich benötigt werden.

Eine solche LED-Matrix zu bauen, birgt aber einige Herausforderungen. Eine große LED muss in eine Matrix aus vielen kleinen LED-Pixeln unterteilt werden und jede LED auf der Matrix muss einzeln kontaktiert werden, um sie getrennt ein- und ausschalten zu können. Dazu wird eine weitere Matrix mit einer dafür notwendigen elektronischen Schaltung exakt unter der LED-Matrix positioniert und dann pixelfein mit der LED-Matrix verbunden. Da der lichtemittierende Halbleiter und der Halbleiter der elektronischen Schaltung recht unterschiedliche Eigenschaften haben, mussten dazu spezielle Verbindungsschichten und -Prozesse entwickelt werden.

Eine weitere Herausforderung war das Aufbringen des Leuchtstoffs auf die LEDs. Dieser ist notwendig, damit die LED-Matrix weißes Licht emittiert. Eine LED leuchtet zunächst nur in einer Farbe. Scheinwerferlicht muss aber weiß sein – und weißes Licht ist eine Mischung aus mehreren Lichtfarben. Um mit einer LED aber weißes Licht zu erzeugen, gibt man einen Leuchtstoff auf eine blaue LED. Dieser Leuchtstoff erzeugt dann aus einem Teil des blauen Lichts gelbes Licht, beides zusammen ergibt das weiße Licht.

Allerdings streut der Leuchtstoff das erzeugte Licht auch zur Seite mit der Folge, dass die umliegenden LED-Pixel ebenfalls zu leuchten beginnen. Das Scheinwerferbild wird dadurch unscharf. Abhilfe schafft ein völlig neuentwickelter Leuchtstoff, der sehr viel dünner aufgetragen werden kann. So kann verhindert werden, dass Licht seitlich austritt und benachbarte, abgeschaltete Pixel mitleuchten. Das Ergebnis ist ein LED-Modul, das mit präzise steuerbarem Licht für mehr Sicherheit auf den Straßen sorgt.

Als zusätzliche Sicherheitskomponente haben die Drei sich noch etwas Besonderes einfallen lassen: Licht ist ja auch Information. So bringt der Scheinwerfer nicht nur präzise und effizient Licht auf die Fahrbahn, durch die vielen kleinen LED-Pixel arbeitet die Lichtquelle wie ein Projektor. So kann sie auch Piktogramme auf die Straße projizieren, wie z. B. eine Schneeflocke bei Frostgefahr oder ein Symbol zur Warnung vor Geisterfahrern.

Mit einer AR-Brille, die neben der realen Umgebung zusätzlich digitale Informationen ins Gesichtsfeld einspiegelt, wird die Lichtmatrix zum virtuellen Monitor. Hier kann sie ihre Stärken voll ausspielen. Überall, wo wenig Raum für einen großen Akku ist, sind Effizienz und Baugröße besonders wichtig. Bei einer AR-Brille ist die im besonderen Maße gegeben. Sie muss in ihrer Konstruktion leicht und klein sein. Dennoch soll sie die Informationen mit großer Helligkeit projizieren können, denn nur so sind diese auch im Freien bei Sonnenschein gut lesbar. Mit der neuen LED-Matrix lassen sich diese Bedingungen hervorragend erfüllen und das digitale Licht hat das Potenzial, die Schnittstelle von Menschen und Elektronik zu revolutionieren.

Licht ist aber auch ein Informationsträger auf anderen Ebenen. In einem Computer müssen schnell viele Daten ausgetauscht werden – insbesondere bei aufwändigen Anwendungen, die die Entwicklung der KI mit sich bringt. So kann die Technologie des digitalen Lichts auch für die Datenkommunikation zwischen Servern oder zwischen verschiedenen Computer-Chips verwendet werden. Ein begrenzender Faktor beim Thema künstliche Intelligenz ist, dass der Prozessor nicht schnell genug mit dem Speicher kommunizieren kann. Der Grund dafür ist einfach die Geometrie. Der Speicher muss mit dem Prozessor über Kupferverbindungen verschaltet werden. Doch der Bauraum um den Prozessor herum ist begrenzt. Abhilfe kann hier die LED-Matrix schaffen. Mit ihr lassen sich eine Art leuchtende QR-Codes durch ein Lichtleiterbündel schicken und so eine schnelle, parallele Datenleitung zwischen Prozessor und Speicher herstellen. Unterschiedliche digitale Daten können so gleichzeitig verschickt und empfangen werden. Aufgrund der flexibel verlegbaren Lichtleiter lässt sich so eine neuartige Rechnerarchitektur realisieren, der Speicher muss nicht mehr in unmittelbarer Nähe des Prozessors liegen. Dies ist ein wesentlicher Baustein, um große KI-Anwendungen zum Laufen zu bringen.

Die Innovation "Digitales Licht – intelligente LED-Technologie für die Welt von morgen" wird so zur einer Basistechnologie für eine große Anzahl von Anwendungen, was sich auch in wirtschaftlicher Hinsicht beweisen wird. Schon heute sind bei ams OSRAM und Firmen in der gesamten Wertschöpfungskette zahlreiche attraktive Arbeitsplätze entstanden, die nicht zuletzt dazu beitragen, dass Deutschland ein erfolgreicher Forschungs- und Entwicklungsstandort ist und bleibt.