Projiziert man ein Bild auf eine geneigte oder gewölbte Fläche, wird es verzerrt und teilweise unscharf dargestellt. Ein lichtstarker Mini-Projektor des Fraunhofer IOF in Jena, nur so groß wie eine Ein-Cent-Münze, kann diesen Effekt nun korrigieren. Sein Geheimnis: Hunderte kleinster Linsen nach dem Vorbild der Facettenaugen von Insekten.
In nur wenigen Jahren entwickelten Fraunhofer-Forscher einen Miniatur-Projektor von der Idee bis zum Serienprodukt. Im Vergleich zu konventionellen Modellen, in denen ein Kanal ein Bild projiziert, liefert der LED-Arrayprojektor des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena ein helles und scharfes Bild, in dem sich Hunderte von Kanälen pixelgenau überlagern. »Unser Arrayprojektor kann zum einen scharfe und unverzerrte Bilder auf quasi jeder gewölbten oder geneigten Form darstellen. Zum anderen gelingt es uns, die typischen Skalierungsregeln klassischer Projektionssysteme neu zu definieren und so extrem kompakte Projektoren zu realisieren«, erklärt Dr. Peter Schreiber, zuständig für mikrooptische Beleuchtungssysteme am IOF.
Diese Eigenschaften weckten besonders das Interesse der Automobilindustrie. Denn in modernen Autos ist mehr und mehr Technik und Elektronik verbaut. Einzelne Bauteile dürfen daher nur klein sein und wenig Energie verbrauchen. Dies gilt auch für die Beleuchtung im und am Fahrzeug. Der LED-Arrayprojektor liefert eine Lösung für diese Anforderungen. »Die technischen Vorzüge, besonders für den automobilen Einsatz, sind die geringe Größe und Robustheit der Mikrooptiken«, betont Marcel Sieler, ehemaliger Projektleiter am IOF. Sieler war mit dafür verantwortlich, den Projektor industriell umzusetzen.
In der 7er-Reihe von BMW wird er seit Mitte 2015 genutzt und erzeugt entlang des Autos einen hellen etwa vier Meter langen Lichtteppich, der den Boden und damit Hindernisse oder Unebenheiten ausleuchtet. »Damit wird erstmals weltweit ein komplexes Mikrooptik-Modul in einem Serienauto eingesetzt«, erklärt Dr. Peter Dannberg, der den Herstellungsprozess des Projektors entwickelte. Im BMW ist das Licht-Modul unterhalb der Tür verbaut und nicht wie bei anderen Herstellern in der Tür. Hierfür macht sich der Autobauer eine weitere Besonderheit der Fraunhofer-Entwicklung zunutze: »Mit einem Arrayprojektor sind helle und scharfe Bilder auch unter sehr kleinen Einstrahlwinkeln ohne geneigte optische Elemente möglich«, betont Peter Schreiber.
Das Beleuchtungssystem des IOF besteht aus einer Anordnung, englisch Array, vieler Mikroprojektoren. Jeder Projektor besteht aus einer Mikrolinse zur Beleuchtung und einer zweiten für die Projektion, dazwischen befindet sich ein Dia. Ein Arrayprojektor ordnet Hunderte solcher Mikroprojektoren gemeinsam an. »Die Arrayprojektion überlagert die Einzelbilder der mikrooptischen Projektoren so, dass sie sich zu einem hellen Gesamtbild auf dem Schirm überlagern und sorgt gleichzeitig für eine gleichmäßige Ausleuchtung«, erklärt Sieler. Je mehr Mikroprojektoren im Array angordnet sind, desto heller wird das projizierte Bild. Hierfür muss der Projektor somit ausschließlich in der Fläche wachsen. Die Dicke von nur etwa drei Millimetern bleibt erhalten. Ein konventioneller Projektor müsste sein gesamtes Volumen vergrößern, um den Lichtfluss zu erhöhen.
Auch für weitere Anwendungen sieht Peter Schreiber Potenzial: »Wir überlegen, wie der Arrayprojektor etwa in ultra-kompakten Datensichtbrillen oder als Spotlight mit spezieller Lichtverteilung eingesetzt werden kann. Ich sehe auch die Möglichkeit, effiziente und hoch dynamische Lichtmuster in der Messtechnik zu generieren.«
Für die Entwicklung des LED-Arrayprojektors erhalten Dr. Peter Schreiber, Marcel Sieler und Dr. Peter Dannberg den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit der Entwicklung »eines weiteren Bausteins für den deutschen Automobilbau, um sich als Premium-Anbieter zu positionieren.«
Projiziert man ein Bild auf eine geneigte oder gewölbte Fläche, wird es verzerrt und teilweise unscharf dargestellt. Ein lichtstarker Mini-Projektor des Fraunhofer IOF in Jena, nur so groß wie eine Ein-Cent-Münze, kann diesen Effekt nun korrigieren. Sein Geheimnis: Hunderte kleinster Linsen nach dem Vorbild der Facettenaugen von Insekten.
Fraunhofer-Physiker Dr. Peter Schreiber spricht über die Geburtsstunde des LED-Arrayprojektors und erklärt, warum dieser Projektor konventionelle Beleuchtungssysteme in den Schatten stellt.
Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich Preise für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Mitarbeiter, die anwendungsnahe Probleme lösen. Mehr als 200 Forscherinnen und Forscher haben diesen Preis inzwischen gewonnen. In diesem Jahr werden drei Preise mit jeweils
Licht- und Projektionssysteme erobern seit einigen Jahren neue Anwendungsfelder. Die LED-Arrayprojektion überzeugte die Jury aus mehreren Gründen. Zuallererst gelang es dem Team, ein neues, patentrechtlich abgesichertes, technisches Prinzip als in eine konkrete Anwendung zu überführen. Dann konnte die nach dem Vorbild der Insektenaugen aufgebaute Arrayprojektion mit dem 7er BMW in den Automobilbereich eingebracht werden. Für den deutschen Automobilbau wurde damit ein weiterer Baustein geliefert, sich als Premium-Anbieter zu positionieren. Darüber zeigt das Beispiel, dass die Technologie ein hohes Potential auch für andere Branchen bietet. Grund dafür ist der hohe Grad an Miniaturisierung, der mit der LED-Arrayprojektion erreicht wurde.
Pate für die Abstimmung: Prof. Dr. Karsten Buse, Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
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