Licht- und Displaytechnik Grundgrößen

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik Grundgrößen von Karsten Klinger Wintersemester 2007/2008

2 Administratives Eine -Adresse funktioniert nicht Neue Teilnehmer: Bitte angeben Erste Übung findet nächsten Montag :30 statt

3 Stellenausschreibung Praktikum Bereich: Fahrzeugentwicklung/Forschung PKW Firma: Daimler Ort: Sindelfingen Schwerpunkt: Zertifizierung Sicherheit Thema: Fahrzeugbeleuchtungseinrichtungen Ansprechpartner: Friedrich Müller Telefon:

4 Stellenausschreibung Praktikum Lichtsimulation Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Henning Kiel Tel.: +49(53 61) henning.kiel@volkswagen.de Internet: Einsatzzeitraum: ab sofort Einsatzort: Wolfsburg Firma: VW AG, Forschung & Entwicklung Umfeld: Aufbauentwicklung in der Abteilung Technologie, Simulation und Strak

5 Stellenausschreibung Praktikum Unterstützung der Ingenieurstätigkeit im Bereich der Applikationstechnik Anfertigen von Prototypenaufbauten Evaluierung von elektrisch, optischen und thermischen Parametern an Musteraufbauten Auswertung und Visualisierung von Versuchs- und Messaufbauten Layout von Schaltungen Bewerben: Stellennummer: P 08/12 Firma: OSRAM Opto Semiconductors GmbH

6 Inhalt Strahlung Raumwinkel Spektrale Wirkungsfunktionen Lichttechnische Grundgrößen Photometrisches Entfernungsgesetz Beispielrechnung

7 Sichtbare Strahlung - Licht Licht Elektromagnetische Strahlung Ausbreitungsgeschwindigkeit c = m/s Wellenlänge λ = 380 nm nm Charakterisierung Wellenlänge oder Frequenz Intensität Monochromatische Strahlung Eng begrenzter Wellenlängenbereich Spektralfarbe c = λ ν

8 V(λ) - Funktion 1 0, nm Wellenlänge [nm] V(λ) 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

9 Physikalische Strahlungsbewertung Strahlung monochromatische Strahlung Kontinuumsstrahlung Spektrum Glühlampe Leuchtstofflampe 120 8,00E+10 7,00E ,00E+10 Bestrahlungsstärke [rel] Intensität [rel] 5,00E+10 4,00E+10 3,00E+10 2,00E ,00E ,0 350,0 400,0 450,0 500,0 550,0 600,0 650,0 700,0 750,0 800,0 Wellenlänge [nm] 0,00E Wellenlänge [nm]

10 LED - Strahlung Weitgehend monochromatische Strahlung Erzeugung von weissem Licht durch Leuchtstoffe oder Mehrchip-Farbmischung Lumiled royalblau 1W Lumiled LED royalblau Lumiled warmweiss 1W Lumiled LED warmweiss 1,00 1,00 0,90 0,90 0,80 0,80 0,70 0,70 0,60 0,60 Intensität [rel.] 0,50 0,40 Intensität [rel.] 0,50 0,40 0,30 0,30 0,20 0,20 0,10 0,10 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm]

11 Sonnenstrahlung Extraterrestrische Bestrahlungsstärke 1400 W/m² Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche 1000 W/m²

12 Wirksame Fläche Wirksame Fläche A ε A cos ε Ausstrahlwinkel α

13 Ebener Winkel - Raumwinkel Ebener Winkel Mittelpunkt Zwei Geraden Umschließen eine Fläche Raumwinkel Mittelpunkt Zwei Flächen / Kegeloberflächen mit gleicher Mittelachse Umschließen ein Volumen

14 Raumwinkel Auf Kugeloberfläche projizierte Fläche Strahlung tritt aus Fläche aus Ursprungsfläche Detail: Kugeloberflächenabschnitt A r K! = " 2 sr [Bilder: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie]

15 Raumwinkel, Definition Raumwinkel: Quotient aus Fläche der Kugelkalotte durch Quadrat des Kugelradius Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: Ω oder ω[ Omega ] Einheitsraumwinkel Ω 0 = 1 sr

16 Raumwinkel, Berechnung 2"! % % 2 $ = sin! d! d# = 2" (cos! - cos! ) # = 0! 1 1 2

17 Raumwinkel, Zahlenwerte Vollraum Halbraum Kreiskegel mit α= π sr 2π sr 1 sr 4π sr 2π sr 1 sr

18 Photometrisches Grundgesetz Fläche A mit Leuchtdichte L A Ω %% # = L $ da$ cos! $ d" " A da dω ε B Beschreibt den Strahlungsaustausch zwischen den beiden Flächen A und B.

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

20 Spektrale Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeiten von lichtempfindlichen Empfängern Relative spektrale Stromempfindlichkeit für die physikalischen Empfänger Silizium und Selen Spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges für das Tagessehen, die sog. V(λ)-Funktion Relative spektrale Strahlungsleistung S(λ) eines Temperaturstrahlers bei einer Temperatur von 2856 K (sog. Normlichtlichtart A)

21 Spektrale Wirkungsfunktion Wirkungsfunktionen Pflanzenwachstum Hautbräunung Helligkeitswirkung

22 Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge) Messwerte Genormte Kurve

23 Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen Abgleich farbiger Strahlung mit weißer Strahlung Direktabgleich Weiße (graue) Strahlung wird von der Versuchsperson gleichhell wie farbige Strahlung eingestellt.

24 Das lichttechnische Maßsystem Candela (cd) Einheit der Lichtstärke Eine der 7 Basiseinheiten des internationalen SI-Systems Einzige Basiseinheit nicht rein physikalischer Natur Beruht auf physiologischen Eigenschaften Lichttechnische Größen sind spektral bewertete Größen! # 2 X = K X (!)" V (!) d!! 1 e!

25 Definition der Lichteinheit Lichtstärke von 1 cd Lichtstärke einer Strahlungsquelle in einer bestimmten Richtung, die eine Frequenz von 5, Hz aussendet und deren Strahlstärke 1/683 W/sr beträgt. In Luft entspricht eine Frequenz von 5, Hz einer Wellenlänge von 555 nm, bei der V(λ) = 1 ist. Maximales photometrische Strahlungsäquivalent K m = 683 lm/w

26 Funktionaler Zusammenhang lichttechnischer Größen Bewertungsgröße X Keine Wirkungsgröße Empfindungsgröße hängt nicht linear mit Reiz zusammen Bewertungsgröße hängt monoton mit Empfindungsgröße zusammen Lichttechnische Größen genügen Äquivalenzrelationen Verschiedenfarbige Strahlungen die gleichhell erscheinen, erhalten die gleiche lichttechnische Maßzahl.

27 V(λ) - Funktion, Effekte Helmholtz-Kohlrausch Effekt: In V(λ) nur achromatischer Anteil der Helligkeit enthalten Bunte Strahlung wird heller, als unbunte Strahlung empfunden. Helligkeiten von Farben: Theoretisches Beispiel: Blaue LED 3 W elektrisch 3 W optisch 400 nm 1 lm Grüne LED 1,5 mw elektrisch 1,5 mw optisch 550 nm 1 lm

28 Purkinje - Effekt Bei V(λ) bewerteter Strahlung erscheint blau heller als rot 1,0 V(λ) : Tagessehen V ( λ ) V ( λ ) V (λ) : Nachtsehen 0,5 0, Wellenlänge λ [nm]

29 Lichtstromberechnung Schwarzer Strahler Temperatur T = 2500 K, Fläche A = 1 mm² Ergebnis: φ = 17,7 lm spektrale Strahlungsleistung (λ) in W/nm e φ V( λ ) Φ e λ (λ ) V( λ ) φe l ( λ ) spektrale Hellempfindlichket V(λ) Wellenlänge λ in nm

30 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen: Φ [ Phi ] 780nm $ 380nm Konstante K m = 683 lm/w ( ) ( ) " = K "! # V! # d! m e!

31 Lichtstrom - Zahlenwerte Lampentyp LED Allgebrauchslampe 100 W Standard Leuchtstofflampe 36 W, Lichtfarbe weiß Standard Quecksilberdampf- Hochdrucklampe 125 W Standard Natriumdampf- Hochdrucklampe 70 W Lampenlichtstrom 60 lm 1380 lm 2850 lm 6300 lm 4600 lm

32 Grundgrößen - Lichtstärke Name: Lichtstärke Einheit: Candela [ cd ] Zeichen: I I = " Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: ω [ Omega ]!

33 Lichtstärke - Zahlenwerte Lichtquelle Kerze Glühlampe 100 W Fernlicht Mond Sonne Lichtstärke 1 2 cd 10 2 cd 10 4 cd cd cd

34 Grundgrößen - Beleuchtungsstärke Name: Beleuchtungsstärke Einheit: Lux [ lx ] Zeichen: E I E cos! r = 2! E = A

35 Beleuchtungsstärke - Zahlenwerte Art der Umgebung Im Freien bei klarer Atmosphäre und hohem Sonnenstand Diffuser Himmel Gut beleuchtete Büro-Arbeitsräume Operationsfeld Beleuchtung Im Freien bei Mondlicht Beleuchtungsstärken bis ca lx lx lx bis lx etwa 0,5 lx

36 Grundgrößen - Leuchtdichte A p Name: Leuchtdichte Einheit: Candela pro Quadratmeter [ cd/m² ] Zeichen: L! I L = L = A p " A p

37 Leuchtdichte - Zahlenwerte Lichtquelle Leuchtdichte Sonne 1, cd/m 2 Bedeckter Himmel cd/m 2 LED-Bremsleuchten 10 5 cd/m 2 Leuchtstofflampen 10 4 cd/m 2 Arbeits- und Raumflächen cd/m 2 gut beleuchteter Arbeitsräume Nächtliche Straßenbeleuchtung 0, cd/m 2 (Fahrbahn) Nächtlicher Himmel im Freien cd/m 2

38 Lambertstrahler ε L 0 L e = Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig. L 0 I 0 ε Die Lichtstärke ist winkelabhängig. I e = I 0. cos ε Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.

39 Photometrisches Entfernungsgesetz, Herleitung Photometrischen Grundgesetz: %% da cos! : Wirksame Fläche # = L $ da$ cos! $ d" " A! Mit E = und gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich: A d# E = = L% cos! $ d" da " Für den ganzen Halbraum: E = d! da = L " # p

40 E Photometrisches Entfernungsgesetz, Formel = L!" I = L! A A! = r 2 E I = r 2 I E cos! r = 2 ε r

41 Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler h Lichtquelle r Empfänger r h = 1 "! 0,001 0,1 31,6 0,005 0,5 14,1! 0,01 1 9,95 0,03 3 5,69!! [%] r / h 0,05 5 4,36 0,1 10 3,00

42 Umrechnung Objekt: Glühlampe Leistung Lichtstrom Raumwinkel P = 100 W Φ = 1400 lm Ω = 4π Lichtstärke I = Φ / Ω I 100 cd Durchmesser d = 0,055 m Fläche A p 0,002 m² Leuchtdichte L = I / A p L cd / m² Abstand Arbeitsfläche r = 1 m Beleuchtungsstärke E = I / r² E = 100 lx Leuchtdichte L = ρ E / Ω P Ω P = π L 10 cd / m 2

43 Symbole