Wie Scheinwerferlicht die Regenwand durchdringt

Pittsburgh (USA) - Nicht angenehm ist nächtliches Autofahren im Regenguss oder Schneetreiben: Zum einen trübt der Niederschlag die Windschutzscheibe, zum anderen blendet das Licht, das die vielen kleinen Tropfen oder Flocken in der Luft wie winzige Spiegel zurückwerfen. Dort haben jetzt US-Forscher angesetzt – sie entwickelten eine Technik, die die Flugbahn der Tropfen berechnet. Damit wiederum werden künftige Schweinwerfer gesteuert, die aus einer Fläche vieler kleiner Leuchtdioden bestehen: Für Bruchteile einer Sekunde werden einzelne LEDs ausgeschaltet, so dass kein Licht auf die jeweiligen Tropfen fällt. Dass das funktioniert, konnten die Entwickler nicht nur im theoretischen Modell mit unterschiedlichen Niederschlagsvarianten nachweisen, sondern auch im Labor an einem Prototyp. Selbst bei schweren Regenschauern lassen sich 70 bis 80 Prozent der Sicht erhalten, berichteten sie kürzlich auf der „IEEE International Conference on Computational Photography“. Nun arbeitet das Team daran, ihren Prototypen zu verkleinern und auf die Straße zu bringen.

„Selbst eine Fahrt im Gewitter lassen die smarten Scheinwerfer wie im Nieselregen wirken“, erklärt Srinivasa Narasimhan, Professor für Robotik an der Carnegie Mellon University. Das Flackern des Scheinwerferlichts sei so schnell, dass menschliche Augen es nicht wahrnehmen könnten. Narasimhans Team geht das Problem des blendenden Regens direkter an als andere Forschungsansätze. Diese bearbeiten die Bilder von Kameras in Echtzeit, rechnen die störenden Tropfen und Reflektionen heraus und liefern dem Fahrer auf einem Bildschirm die bereinigte Sicht. Allerdings ist damit ein Display nötig, das im Sichtfeld an der Windschutzscheibe befestigt sein muss. Darauf verzichtet die „SmartHeadlights“-Technik und verhindert die Reflektionen, bevor sie überhaupt entstehen.

Grundlage sind ebenfalls Bilder einer Hochgeschwindigkeitskamera, die fortlaufend die fallenden Tropfen, Flocken oder Hagelkörner aufnimmt. Selbst starker Regen, der dem menschlichen Auge wie lange Streifen vorkommt, sind dabei einzelne Partikel mit viel Raum zwischen ihnen. Ein Algorithmus kann aus ihrer Bewegung berechnen, wo sie in den kommenden Millisekunden sein werden. Dann kommt eine detailliert steuerbare digitale Lichtquelle ins Spiel: Ihr Leuchtstrahl entstammt nicht nur vielen kleinen Punktleuchten, sondern diese lassen sich auch einzeln und innerhalb von Mikrosekunden aus- und anschalten. Im Labor nutzten Narasimhan und Kollegen einen handelsüblichen DLP-Projektor (Digital Light Processing) mit nur Mikrometer kleinen Spiegelflächen, wie er bereits im Heimkinobereich zum Einsatz kommt. Im Auto eingebaut würden sich eher lichtstarke LED-Lampen aus winzigen Leuchtdioden eignen, die sich jeweils einzeln ansteuerbar lassen. Noch sind diese nicht erhältlich, doch technisch bereits denkbar.

Dank der Lichtpunktsteuerung lassen sich kurzfristig genau jene Punktquellen ausschalten, an denen ein Tropfen vorbei fällt. Nur 13 Millisekunden dauert es vom Entdecken des Tropfens bis zum Ausschalten des Lichts, so die Forscher. Bei langsamem Fahrtempo gehen so nur fünf bis sechs Prozent des Lichts verloren, während 70 bis 80 Prozent der Regentropfen nicht mehr blenden. Diese Bearbeitungsdauer muss allerdings noch auf wenige Millisekunden fallen, so Narasimhan, um auch beim typischen Highway-Tempo von bis zu 130 Kilometern pro Stunde sowie bei Schnee und Hagel effektiv zu arbeiten. Derzeit entwickelt das Team eine kompaktere Variante ihres Prototyps, die sie im Straßenverkehr testen können. Auf dem Chip smarter LED-Scheinwerfer hätten auch noch die Bildsensoren Platz, was eine rapide Analyse möglich macht und die Systemkosten niedrig hält. Und sollte das Steuersystem einmal scheitern, so drohe auch keine Katastrophe, sagt Narasimhan: „Wenn es ausfällt, bleibt es einfach ein normaler Scheinwerfer.“