Optische Technologien im Automobil

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Optische Technologien im Automobil von Dr. Karl Manz Dipl.-Ing. Karsten Klinger Sommersemester 2005

2 Das visuelle System Schwellen, Flicker, Blitze

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4 Beispiel für Simultankontrast, die inneren Quadrate sind identisch

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7 Das visuelle System

8 Das visuelle System

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12 Nach S.S. Stevens

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14 Das visuelle System

15 Webersche Regel Das visuelle System S/S = const. Reizänderung S Reizamplitude S nur eingeschränkt anwendbar allgemeiner gilt Stevens Potenzfunktion F = k*( S - S n ) n Schwellenreizstärke S n Empfindungsintensität F log F = n * log ( S - S n ) + log k

16 Das visuelle System

17 Das visuelle System

18 Das visuelle System

19 Das visuelle System

20 Das visuelle System

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22 Nach PIRENNE liegt die Absolutschwelle für 50% Wahrscheinlichkeit der Wahrnehmung bei einem jüngeren Beobachter und für weißes Licht der Farbtemperatur von 2400 K bei etwa 0,75 * 10-6 cd/m² (dunkler Nachthimmel etwa 14*10-6 cd/m 2 ). Daraus resultiert für λ = 507 nm eine Strahldichte von l0-10 W/(sr- m 2 ) und mit τ(λ) = 0.5 bei einer Pupillenfläche von 0,5 cm² eine Netzhautbestrahlungsstärke E e = W/m 2 entsprechend 2300 Lichtquanten je Sekunde und cm² der Retina oder je 13,4 *10 6 Stäbchen. Nur 0,3% der Stäbchen absorbieren 1 Lichtquant während eines 15 s dauernden Reizes. [Aus Hans-Jürgen Henschel, Licht und Beleuchtung, Seite 50]

23 Bei voller Dunkeladaptation ist eine Nervenfaser mit etwa Stäbchen gekoppelt. Damit erhält diese Empfängereinheit während einer 0.1 s dauernden Summationszeit weniger als 1 Lichtquant. Dass es zu einer Heiligkeitsempfindung kommt, wird auf statistische Schwankungserscheinungen zurückgeführt. Darauf deutet auch die verwaschene Kontur des Testfeldes hin. Dies galt für ein großes Testfeld von 47 scheinbarer Größe. Für eine weiße Punktlichtquelle unter 1 Sehwinkelgröße beträgt die Absolutschwelle 4 * 10-9 lx auf der Pupille. Daraus folgen nach HECHT. SHLAER und PIRENNE etwa 10 wirksam absorbierte Quanten je Empfängerelement. Für praktische Zwecke, bei denen keine ungestörte Dunkeladaptation angenommen werden darf, insbesondere für die Wahrnehmung von Leuchtfeuern in der Navigation, ist eine Schwelle für Punktlichtquellen von 2 * 10-6 lx auf der Pupille genormt. [Aus Hans-Jürgen Henschel, Licht und Beleuchtung, Seite 50]

24 Schwellenwerte stationär dargebotener Lichtsignale Zahlreiche Untersuchungen über Helligkeitsschwellen Kreisförmiges Testfeld L, Sehwinkel σ Großes Umfeld LN Darbietung zentral foveal, quasistationär Lichtart (Testfeld/Umfeld) unbunt L U L I

25 Zusammenfassung des Beobachtungsmaterials bis 1941, M. Berek 1941 (Neuere Untersuchungen H.R. Blackwell) L' = Mit: ( L i L u )' = 1 σ 2 ( φ + σ b) 2 Der Unterschiedsempfindlichkeit L i, L u in 10 4 L' ( L u, σ ) Als Funktion der Umgebungsleuchtdichte L u in 10 4 cd/m² und dem Sehwinkel σ in Minuten cd 2 m 9 b = QL u Φ = log [ ] c p CL + PL u u }Funktionen der Umgebungsleuchtdichte C= 1,0479 ± c=0,00208 ± P= 0,50 ± p=0,52 ± Q= 0,058 ± q=0,412 ±

26 Aus Berek-Formel: Unterschiedsschwelle L (L u,σ) bzw.: Kontrastschwelle K = L' ( L L u u, σ ) Sehwinkelschwelle σ (L i, L u ) Schwellenbeleuchtungsstärke (Pupille) 2 σ E p ' = πli sin = 2 E' p ( l u, σ ) grundsätzlich gleichwertig je nach Punktartige Signale: (Ricco-Bereich) E p unabhängig von σ bzw. K' ~ Flächenartige Signale: (Weber-Bereich) L (Straßenverkehr) K unabhängig von σ, bei L u = const. 1 σ 2 bei L u =a (Schifffahrt,Luftfahrt) Übergangsbereich (Piper-Bereich) Ep (Straßenverkehrssignale) L abhängig von σ K Grenzwinkel für punktartige Signale (Ricco-Grenzwinkel σ R ) L u [cd/m²] σ R ,5'

27 Das visuelle System

28 Das visuelle System

29 Das visuelle System

30 Das visuelle System

31 Das visuelle System [Quelle: Gerdes, Handbuch der Beleuchtung, Teil III, Ortsfeste Signallichter] Karl Manz

32 Das visuelle System Adaptionszustände des Auges mit Angabe von Adaptionsleuchtdichte und Lichtquellenleuchtdichte

33 Das visuelle System

34 Das visuelle System Tabelle 1: Bereich für den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad

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41 Bewertung gepulster Lichtsignale

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44 Für t <<c: I* t= const. (Auge = Energieempfänger) I=const./ t (Bloch 1885) zeitliche Summation sicher erfüllt für t=0,04 s I 0 = Schwellenwert für stationäre Darbietung; Für t >> c: I=I 0 (Auge = Leistungsempfänger) dyn. Gleichgewicht Erregung, Empfindung Einfachster Ansatz (lineare Überlagerung) c t + I o = I o c + t t exp. Bestätigt durch Blondel Rey 1911 ( c 0,21 s )

45 Für überschwellige Signale Zusammenhang noch nicht vollständig verstanden

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47 Allard 1876

48 Beliebige Impulsform Anschluss an Rechteckimpuls durch Formfaktor (Füllfaktor) (Schmidt-Clausen 1968) t L( t) dt = f Für t <<c : I eff = I o L o t c f L' o t = const L' = L' o f, f c = t t a + t Einfluss der Sehwinkelgröße auf c (Schmidt-Clausen 1968) a

49 d.h. umgekehrt Lichtimpuls der Dauer t mit Amplitude L o entspricht einer effektiven Leuchtdichte L eff = L o a t + t bzw. als effiktive Lichtstärke dargestellt: t I eff = I o c + t

50 Karl Manz

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53 Blondel-Rey (1911) Need iterative solution

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56 Form Faktor Schmidt-Clausen (1971)

57 Allard (1876)

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59 Effektive Reizstärke eines Lichtimpulses (L eff,i eff ) geringer als stationärer Reiz gleicher Amplitude Grund: Trägheit der Sehstoffchemie und Nervenleitung Größenordnung Zeitkonstante 0,1 s Vergleich mit RC-Tiefpaß Bei überschwelligen Lichtimpulsen komplizierter Zusammenhang e(ilt) Broca Sulza Effekt Achromatische Schwelle (Erkennung der Helligkeit)

60 Das visuelle System

61 Das visuelle System [Aus David H. Hubel, Auge und Gehirn]

62 Das visuelle System Zeitlicher Adaptionsvorgang(Dunkeladaption)

63 Praktische Schwellenwerte E p, L, K ideale achromatische Schwellenwerte. In der Praxis höhere Werte: zur Farberkennung zur Erhöhung der Auffälligkeit zur Berücksichtigung peripherer Signale... Vereinbarte praktische Schwellenwerte E p für punktartige Signale (Tag, Nacht) Beispiel: Intern. Seezeichenschwelle 2 x 10-7 lx nachts (Berek l u = 1 entspricht Praxisfaktor 5 für L u =10-2 cd 2 m entspricht Praxisfaktor 20 für L u =10-4 : cd 2 m