Entspannt im Fahrzeug arbeiten und reisen Modular aufgebaut: Human Centric Lighting im Fahrzeuginnenraum

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Licht im Fahrzeuginnenraum sollte sich an die Bedürfnisse der Insassen richten. Farbtemperatur und Farbwiedergabe sind dabei von besonderem Interesse. Hier bietet die Dräxlmaier Group Leuchten für den Innenraum nach dem Konzept des Human Centric Lightings.

Der technologische Wandel des Automobils verändert die Mobilität grundlegend. Intelligente Assistenzsysteme bis hin zum autonomen Fahren erhöhen nicht nur Komfort und Sicherheit, sondern entlasten auch den Fahrer, der sich nicht mehr ausschließlich auf das Verkehrsgeschehen konzentrieren muss. Die Folge: In einem Fahrzeug bewegen sich die Insassen künftig nicht mehr nur – sie unterhalten sich, lesen, arbeiten oder ruhen sich aus. Damit gewinnt auch die Innenraumbeleuchtung an Bedeutung, denn für alle denkbaren Szenarien muss das passende Licht zur Verfügung stehen.

Neue Konzepte wie Human Centric Lighting (HCL), die Simulation des Tageslichtverlaufs oder situative Lichtinszenierungen geben darauf eine Antwort. Die technologische Basis dafür bilden Lichtlösungen wie das modulare Human-Centric-Lighting-System der Dräxlmaier Group.

Der circadiane Rhythmus und der Einfluss auf den Menschen

Das Sonnenlicht begleitet den Menschen seit Urzeiten. Es synchronisiert die innere Uhr, den sogenannten circadianen Rhythmus, und sorgt mit seinem Farbtemperaturwechsel vom Sonnenaufgang über die helle, hochstehende Mittagssonne bis zur rötlichen Abenddämmerung für Wohlbefinden, Gesundheit und Leistungsfähigkeit. Dank moderner, energiesparender LED-Technologie steht Licht den Menschen heute jederzeit zur Verfügung. Künstliches Licht sorgt für gutes Sehen, kann seine biologische Wirkung aber nur dann richtig entfalten, wenn das Farbspektrum stimmt. Andernfalls kann sich Kunstlicht unbewusst sogar negativ auf die natürliche abendliche Müdigkeit oder sogar auf das Schlafverhalten in der Nacht auswirken.

Das Beleuchtungskonzept Human Centric Lighting hingegen stellt den Menschen in den Mittelpunkt und stellt für seine jeweilige Lebens- oder Arbeitssituation optimal angepasstes Licht zur Verfügung. Neben der visuellen Komponente wird auch die emotionale und biologische Wirkung des Lichts auf den Menschen berücksichtigt [1]. Human Centric Lighting findet zunehmend Anwendung in der Gebäudeplanung. Dräxlmaier überträgt das Konzept in den Innenraum von Fahrzeugen.

Die einzelnen Lichtmodule des HCL-Systems

Die Realisierung jeder Lichtlösung beginnt mit der Auswahl der einzelnen Leuchten – im Fahrzeuginnenraum ebenso wie im Wohn- oder Arbeitsbereich. Dräxlmaier hat im Rahmen seiner Leuchtenserie Human Centric Lighting für den Fahrzeuginnenraum drei Lichtmodule entwickelt, die vom Automobilhersteller beliebig positioniert und kombiniert werden können: Die Flächenleuchte verfügt über eine ausgedehnte Leuchtfläche und eignet sich durch ihren breiten Abstrahlwinkel optimal als Grundbeleuchtung.

Ihre mikrooptische Auskoppelstruktur ermöglicht zudem ein individuelles Lichtdesign. Der Spot hingegen bietet fokussiertes Licht für beleuchtungsintensive Tätigkeiten oder zur Akzentuierung. Mithilfe einer Freiformlinse wird das Licht sehr effizient in den definierten Zielbereich gelenkt. Der Wall-Washer rundet das Modulportfolio ab und bietet Streiflicht an den Fahrzeuginnenwänden, das insbesondere der Orientierung im Raum dient. Durch eine zusätzliche Trapezrasterstruktur vor dem Lichtleiter des Wall-Washer-Moduls werden die Fahrgäste auch beim Blick in die Leuchte nicht geblendet.

LIN-Schnittstelle und integrierter Mikroprozessor

Alle drei Module erzeugen eine hohe Lichtqualität. Dies wird zum einen durch den Einsatz von weißen LEDs mit mehreren photolumineszierenden Farbstoffen erreicht, die ein sehr breitbandiges, sonnenähnliches Spektrum mit hoher Farbwiedergabe (CRI >90) abstrahlen. Zum anderen werden die Leuchten mit einer Kombination aus warmweißen und kaltweißen LED bestückt, so dass durch Lichtmischung jede beliebige Lichtfarbtemperatur in einem weiten Bereich von 2.700 bis 6.000 K erzeugt werden kann. Optional können die Lichtmodule mit einer zusätzlichen blauen Lichtkomponente mit einer Wellenlänge von rund 460 nm ausgestattet werden, die insbesondere die biologische Wirkung des Lichts unterstützt.

Jedes Lichtmodul verfügt über eine LIN-Schnittstelle zum Fahrzeug. Der integrierte Mikroprozessor berechnet aus der gewünschten Helligkeits- und Farbtemperaturanforderung unter Kompensation der Temperaturabhängigkeit das Ansteuersignal für die warmweißen und kaltweißen LEDs. Damit der Nutzer keinen Farbunterschied zwischen den einzelnen Lichtmodulen wahrnimmt, besitzt das gesamte Human Centric Lighting System eine Farbgenauigkeit von weniger als drei MacAdams.

Ein zweikanaliger LED-Treiber dient als Leistungsendstufe und versorgt die LEDs. Die Pulsweitenmodulation des Treibers hat eine hohe Auflösung von 14 Bit, um die Anforderungen an die Farbgenauigkeit auch bei niedrigen Dimmstufen zu erfüllen. Eine Wiederholfrequenz von 500 Hz verhindert jegliches Flackern.

Von den einzelnen Lichtmodulen zu einem Beleuchtungssystem

Für den jeweiligen Anwendungsfall wählt der Automobilhersteller die Lichtmodule aus, platziert sie im Innenraum und fügt sie so zu einem funktionalen Lichtsystem zusammen. Dräxlmaier unterstützt diesen Prozess durch gemeinsame Lichtplanung und Leuchtenentwicklung. Im Gesamtinterieur interagiert die weiße Funktionsbeleuchtung mit der farbigen, ebenfalls intelligent steuerbaren Ambientebeleuchtung und inszeniert so einen stimmungsvollen und zugleich funktionalen Innenraum für jedes Szenario. Für eine möglichst natürliche Beleuchtung sollte das Licht aus dem oberen Halbraum kommen.

Alle funktionalen Lichtmodule sind daher am besten über Fensterhöhe, vorzugsweise im Dachhimmel, angeordnet. Da der Bauraum an dieser Stelle insbesondere für die Flächenleuchte kritisch ist, wurde deren Bauhöhe besonders flach gestaltet. In weiten Teilen des Lichtmoduls beträgt diese nur etwa 6 mm, bestehend aus den beiden Komponenten Lichtleiter und Reflektor.

Aufgabe des Lichtdesigns ist es, die einzelnen, vom Fahrzeughersteller ausgewählten Lichtmodule im Dachhimmel optimal anzuordnen. Die Flächenleuchte kann entweder als Grundbeleuchtung für jeden Sitzplatz einzeln über den Türbereichen oder in der Mittelachse des Fahrzeugs platziert werden, von wo aus sie die beiden benachbarten Sitzplätze gleichzeitig beleuchtet.

Eine mittig platzierte Flächenleuchte in außergewöhnlicher Form kann auch die Rolle eines präsenten Designelements übernehmen oder funktional die Gesichter der Passagiere in Gesprächssituationen homogen und natürlich ausleuchten. Das individuelle Spotlicht ist für jeden Sitzplatz individuell einstellbar. Der Wall-Washer wird insbesondere zur Beleuchtung des Türbereichs eingesetzt.

In der exemplarisch entwickelten Experience Light Lounge (Bild 1) hat Dräxlmaier die maximale Ausbaustufe des modularen Human Centric Lighting Systems umgesetzt. Eine Multifunktionsleuchte pro Sitzplatz mit Flächenmodul, Spot und Wall-Washer (Bild 2) im Dachhimmel über der Tür ist dort mit einer zusätzlichen Flächenleuchte in der Fahrzeugmitte kombiniert.

Verschiedene Ansätze für Beleuchtungskonzepte

Das Beleuchtungssystem ermöglicht über LIN die Ansteuerung jedes einzelnen Lichtmoduls hinsichtlich Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Gemäß dem Ansatz des Human Centric Lighting soll dem Nutzer jederzeit genau die Beleuchtung zur Verfügung stehen, die für die jeweilige Lebens- oder Arbeitssituation geeignet ist.

Besonderen Komfort bietet es, wenn in der Steuerung bereits Lichtszenarien hinterlegt sind, die der Nutzer möglichst intuitiv auswählen kann. Optional können auch Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur frei eingestellt und so individuelle Szenarien erzeugt werden. Als Benutzerschnittstelle bietet sich eine Szenenauswahl mit Beleuchtungsstärkesteuerung an. Schalterfelder, Näherungssensoren, kleine Touchscreens oder auch mobile Geräte sind denkbare Lösungen für die Bedienoberfläche.

Die vordefinierten Lichtszenarien ergeben sich aus dem zugrunde liegenden Beleuchtungskonzept. Dieses kann vom OEM prinzipiell frei definiert werden, wobei sich folgende Beleuchtungskonzepte besonders eignen: Tageslichtnachführung, anwendungsspezifische Beleuchtung und biologische Aktivierung. Bei der Tageslichtnachführung folgt die Beleuchtung sanft dem Sonnenlichtzyklus von warm weißem, gedämpftem Licht am Morgen über helles, kaltweißes Licht zur Mittagszeit bis hin zu gedimmtem, warm weißem Licht am Abend. Es wirkt natürlich, unterstützt visuell verschiedene Aktivitäten während des Tages und fördert den optimalen Melatonin-Tagesrhythmus des Menschen. Dadurch ist der Nutzer tagsüber wach und konzentriert, fühlt sich wohl und sein gesundes Schlafverhalten wird nachts unterstützt [2].

Eine anwendungsspezifische Beleuchtung

Im Lichtkonzept der anwendungsspezifischen Beleuchtung unterstützen vordefinierte Lichtszenarien die gängigen Anwendungsfälle im Fahrzeuginnenraum. Im jeweiligen Szenario soll die Farbtemperatur über alle Lichtmodule gleich sein, wobei Arbeiten kaltweißes Licht erfordert, Gespräch und Essen im neutralweißen Bereich liegen und Entspannung durch warmweißes Licht als angenehm empfunden wird. Die Beleuchtungsstärke ist vorgegeben und kann vom Nutzer gedimmt oder an einen Helligkeitssensor im Innen- oder Außenbereich gekoppelt werden.

Beim Konzept der biologischen Aktivierung werden optional in die Lichtmodule integrierbare blaue LEDs gezielt eingesetzt, um kurzzeitig intensives bläuliches Licht auszusenden. Dieser Lichtimpuls aktiviert beispielsweise den Fahrer, wirkt so der Ermüdung entgegen und erhöht die Fahrsicherheit [3]. Diese kurzzeitige Blaulichtapplikation kann mit den anderen beschriebenen Lichtkonzepten kombiniert werden.

Referenzen

[1] licht.wissen 21: Leitfaden Human Centric Lighting. Abgerufen am 06.09.2023.

[2] M. Canazei et al.: „Feasibility and acute alerting effects of a daylight-supplementing in-vehicle lighting system – Results from two randomised controlled field studies during dawn and dusk”, Lighting Res. Technol. 2021, 53: 677-695.

[3] C. Cajochen et al. „High Sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and hart rate to short wavelngth“, The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism 2005, 90: 1311-1316.

* Dr. Josef Kiermaier ist Experte für funktionsintegrierte Produkte bei der Dräxlmaier Group und Jan Reblin CEO und CTO der Dräxlmaier Group.

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