Optische Technologien im Automobil

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Optische Technologien im Automobil von Dr. Karl Manz Dipl.-Ing. Karsten Klinger Sommersemester 2007

2 Literatur Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka, Karlsruhe 2003 Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karsten Klinger, Karlsruhe 2003 Vorlesungsunterlagen zu Licht- und Displaytechnik Karlsruhe 2007 Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert Verlag Technik, 1993 Sehen und Verkehr, B. Gramberg-Danielsen Springer-Verlag, 1967

3 Administratives Teilnehmerliste Terminänderungen werden per bekannt gegeben

4 Grundlagen der Lichttechnik Lichtbeschreibung Das visuelle System Das lichttechnische Maßsystem Lichtmesstechnik Regelwerke Licht und Farbe Psychophysik Lichtquellen

5 Lichttechnik im Automobil Lichtlenkung Leuchten Scheinwerfer Adaptive Systeme Betriebs- und Steuergeräte Anbindung an Bordnetz CAN-Bus Anzeigeinstrumente, Displays Fahrerassistenzsysteme Nachtsicht

6 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

7 # V(λ) - Funktion 1 0,5 0 V(λ) 555 nm Wellenlänge λ [nm] 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

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

9 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

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

11 Das lichttechnische Maßsystem SI-Einheit Die Candela Definition Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.

12 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen: Φ [ Phi ] Konstante K m = 683 lm/w

13 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

14 Grundgrößen - Lichtstärke Name: Lichtstärke Einheit: Candela [ cd ] Zeichen: I Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: ω[ Omega ]

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

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

17 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

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

19 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

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

21 Photometrisches Entfernungsgesetz E = L! " I = L! A! = A r 2 E = I r 2 E = I r 2 cos! ε r

22 Silizium - Empfänger, Filterung Filter

23 Cosinus - Anpassung Empfänger mit Lambert - Charakteristik Abschattring Streuscheibe Si - Empfänger Voltmeter

24 Beleuchtungsstärkemessgerät Flächenelement Legt Fläche fest Cosinus - Anpassung Filter V(λ) - Anpassung Si - Empfänger Empfängt Strahlung

25 Lichtstärkemessgerät Blenden Zur Streulichtunterdrückung Flächenelement Legt den Raumwinkel fest

26 Leuchtdichtemessgerät Objektiv Feldlinse Feldblende Si - Empfänger Empfängt Strahlung Filter V(λ) - Anpassung

27 Leuchtdichtekamera Objektiv Feldlinse Feldblende Farbrad V(λ) - Anpassung CCD - Chip Empfängt Strahlung

28 Gremien und Regelungen Erarbeitung der Regelungen durch Gremien: GRE GTB CIE nationale Gremien Aktuelle ECE-Regelungen: Internet-Seiten der UN

29 Normen, Richtlinien, Regelungen Genehmigungszeichen ECE E1: Deutschland E23: Griechenland E2: Frankreich E24: Irland E3: Italien E25: Kroatien E4: Niederlande E26: Slowenien E5: Schweden E27: Slowakei E6: Belgien E28: Weißrussland E7: Ungarn E29: Estland E8: Tschechien E30: E9: Spanien E31: Bosnien und Herzegowina E10: ehemaliges Jugoslawien E32: Lettland E11: Großbritannien E33: E12: Österreich E34: E13: Luxemburg E35: E14: Schweiz E36: E15: ehemalige DDR E37: Türkei E16: Norwegen E38: E17: Finnland E39: E18: Dänemark E40: Yugoslawische Republik Mazedonien E19: Rumänien E41: E20: Polen E42: Europäische Union ab 3/98 E21: Portugal E43: Japan E22: Russische Föderation

30 Normfarbtafel - Farbdreieck X = k# " (!) $ x (!) d! Y = k! $ (#)" y( #) d# Z = k! $ (#)" z (#) d# x y = = z = 1- X X + Y + Y X + Y + x - y Z Z

31 Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge) 1 Genormte Kurve Messwerte 0,5 V(λ) nm Wellenlänge λ [nm] [Aus: Kokoschka, Script "Grundlagen der Lichttechnik"]

32 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.

33 Lichtquellen Lichtquellen Festkörperlampen Entladungslampen Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei Laser LEDs OLEDs EL-Folien Flammen Glühlampen Halogenglühlampen Glimmlampen Hochdruckentladung Niederdruckentladung Kohlebogenlampen

34 Lichtlenkung Einkopplung in Lichtleiter [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

35 Lichtlenkung im Scheinwerfer Lichtlenkung mit Paraboloid [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

36 Simulation

37 Leuchten Lichtverteilung von Rückleuchten Laut ECE-Regelung 7

38 Scheinwerfer Strassenszene mit Hell-Dunkel-Grenze [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

39 LED-Scheinwerfer

40 AFS-Scheinwerfer [Aus: Hanno Westermann, AFS/GER/Back-up, Informal Document 48th GRE No. 28, April 2002]

41 Adaptive Rückleuchten Adaptive Schlußlichter bei Nebel Fahrzeug ohne adaptives Licht Fahrzeug mit adaptivem Licht [Aus: Thomas Luce, Schefenacker, SPIE - Photonics in the Automobile Nov 2004]

42 Sensoren adaptiver Leuchten [Aus: Thomas Luce, Schefenacker, SPIE - Photonics in the Automobile Nov 2004]

43 Ansteuerung [Aus: Thomas Luce, Schefenacker, SPIE - Photonics in the Automobile Nov 2004]

44 Betriebsgeräte EVG für Xenon-Lampen [Aus: Yongxuan Hu, Analysis and Design of HID Lamp Ballast for Automotive Headlamp]

45 Bussysteme Übersicht: CAN: Niedrige Bandbreite Ereignisgesteuert Ungeeignet für X-by-wire TTCAN: Zeitgesteuerter CAN-Bus FlexRay: Hohe Bandbreite Synchroner und asynchroner Betrieb Geeignet für X-by-wire MOST: Hohe Bandbreite Synchroner und asynchroner Betrieb Geeignet für Telematik

46 Displays Grundelemente der Codierung: Leuchtdichte Form Farbe Anordnung [Bild: OEC]

47 Nachtsichtsysteme Verbesserung der Sicht durch Bildverarbeitung Originalbild Aufbereitetes Bild [Aus: PAL 2003, EDEL - Enhanced Driver s Perception In Poor Visibility ]

48 Infrarot Systeme IR-Systeme aktive Systeme nahes IR 780 nm nm passive Systeme fernes IR 3000 nm nm nahes Infrarot Halogen-Lampe + Filter IR-LED IR-Laser

49 Detektoren am Fahrzeug [Aus: Peter M. Knoll, Robert Bosch GmbH]

50 Sichtweiten mit Hilfssystemen Kamerawinkel IR-System Abblendlicht [Aus: Jan C. Egelhaaf, Peter M. Knoll; Robert Bosch GmbH]

51 Aktuelle Forschung Untersuchungen: Einfluss der Sonne auf die Erkennbarkeit Einfluss der Konstruktion auf die Erkennbarkeit Bewertung der Beleuchtung Bewertung des Blickbereichs von Fahrern Vermeidung von Scheinwerferfehleinstellungen Ziele: Reduzierung der Unfalltoten Erhöhung des Komforts