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Physik Journal 15 (2016) Nr. 3
© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
B
eim nächtlichen Ein- und
Aussteigen auf einem schlecht
ausgeleuchteten Parkplatz tritt man
schon mal unbeabsichtigt in eine
Pfütze oder stolpert über ein Hin-
dernis. Daher gibt es bei manchen
Fahrzeugen eine Art Außenbe-
leuchtung, die in Tür oder Außen-
spiegel integriert ist und den Boden
erhellen soll. Allerdings wandert
das Licht, wenn der Fahrer die Tür
bewegt, oder ist mitunter gar nicht
zu sehen, wenn die Tür geschlossen
ist. Um das zu vermeiden, lässt sich
neuerdings bei manchen Autos eine
Umfeldbeleuchtung zuschalten, die
gezielt den Boden vor den Türen
erhellt. Optisch gesehen handelt es
sich dabei um eine Projektion: Das
Licht einer hellen Quelle durch-
strahlt ein Dia, und ein Objektiv
vergrößert das Bild, das auf einer
Leinwand erscheint. Die Lichtquelle
ist im Fall des Fahrzeugs eine leis-
tungsfähige LED. Auf dem Dia ist
die Struktur abgebildet, die später
auf dem Boden – in diesem Fall die
Leinwand – erscheinen soll.
Bei dieser Art der Umfeldbe-
leuchtung bringt ein klassischer
Projektor mit einem Einzelobjektiv
jedoch eine grundsätzliche Ein-
schränkung mit sich: Wie hell die
projizierten Bilder wirken, hängt
von der Größe des Objektivs ab.
Denn der Durchmesser des Objek-
tivs skaliert mit seiner Baulänge,
weil bei der Projektion das Licht
unter einem gegebenen Öffnungs-
winkel auf das Objektiv trifft.
Um ein größeres Objektiv aus-
zuleuchten, muss es bei gleichem
Öffnungswinkel in einer größeren
Entfernung von der Lichtquelle
stehen. Gleichzeitig bestimmt der
Durchmesser des Objektivs den
Lichtstrom, also die Lichtmenge,
die pro Zeiteinheit durch das Ob-
jektiv tritt. Der begrenzte Platz im
Schweller – dem Teil der Karosserie
unter dem Türeinstieg – führt bei
einem Einzelobjektiv dazu, dass der
Lichtstrom nicht ausreicht, um das
Umfeld ausreichend auszuleuchten.
Ein ähnliches Problem ist vom
Gartenschlauch bekannt: Schrumpft
sein Durchmesser, tritt eine gerin-
gere Menge an Wasser aus. Um die
Wassermenge zu erhöhen, kann
man viele dünne Schläuche anein-
anderfügen. Ähnlich ist das Platz-
problem auch bei der Umfeldbe-
leuchtung lösbar. An die Stelle eines
großen Objektivs tritt eine Anord-
nung aus vielen kleinen Objektiven:
Statt eines optischen Kanals gibt
es viele Kanäle, deren Anzahl den
Lichtstrom bestimmt. Die Optik des
Projektors im Schweller besteht aus
einem quadratischen Array, das eine
Fläche von etwa 10 mal 10 Millime-
tern hat. Darin sind 150 Mikrolin-
sen matrixförmig angeordnet. Die
Dicke des Arrays, also seine Baulän-
ge, beträgt nur wenige Millimeter,
was den Platzbedarf im Vergleich
zu einem klassischen Projektor um
einen Faktor zwölf reduziert.
Solche Mikrolinsen-Arrays
entstehen mit Hilfe von UV-Abfor-
mung (
Abb. 1
). Flüssiges Polymer-
harz härtet dabei unter UV-Licht
zwischen einem Substrat (z. B. Glas)
und einem transparenten Abform-
werkzeug aus. Das Dia mit der
Struktur der Umfeldbeleuchtung
lässt sich auf der Rückseite des Sub-
strats als dünne Schicht aufbringen.
Jede Mikrolinse besitzt die gleiche
Brennweite und erzeugt ein ver-
größertes Bild des Dias. Alle Bilder
überlagern sich auf dem Boden,
der bezogen auf die Brennweite des
Arrays im Unendlichen liegt, und
sorgen so für eine ausreichende
Bildhelligkeit.
Da jede einzelne Mikrolinse des
Arrays weniger als einen Milli-
meter groß ist, tritt das Licht der
LED nur unter kleinen Winkeln
in sie ein, sodass die optischen
Abbildungsfehler des Systems gut
beherrschbar sind. Allerdings ent-
steht Streulicht, wenn Lichtstrahlen
nicht vollständig parallelisiert sind
und ein optisches Übersprechen
der Kanäle hervorrufen. Um das
Streulicht zu verringern, wird
n
Ein Teppich aus Licht
Den Boden direkt neben einem Fahrzeug zu beleuchten, ist schwieriger als man denkt.
Wenn konventionelle Optiken nicht infrage kommen, sind Mikrolinsen die Lösung.
Abb. 1
Mikrolinsen-Arrays entstehen mittels UV-Abformungs-
verfahren mit Genauigkeiten von Mikrometern. Je mehr Mikro-
linsen im Array enthalten sind, desto höher ist der Lichtstrom
durch das System, ohne dass sich seine Baulänge verändert.
Fraunhofer IOF
Mit Hilfe einer Umfeldbeleuchtung lässt
sich der Boden entlang des Autos von
den Fronttüren bis zum Heck erhellen.
Die Projektionseinheiten dafür befinden
sich unter dem Türeinstieg an der Karos-
serie des Wagens.
BMW