Kraftfahrzeug Lichttechnik

Transkript

1 Kraftfahrzeug Lichttechnik Einführung Wintersemester 2010/2011 Dr.-Ing. Karsten Köth

2 Lichttechnik im Automobil Lampen Leuchten Scheinwerfer Mechanik Adaptive Systeme Betriebs- und Steuergeräte Anbindung an Bordnetz Bus-Systeme Anzeigeinstrumente, Displays Fahrerassistenzsysteme Nachtsicht

3 Ziel Kennenlernen von Aufbau Funktion Wirkung lichttechnischer Einrichtungen Kraftfahrzeug Fähigkeiten erlernen, um aktiv Scheinwerfer und Leuchten entwickeln zu können Optik (FEM), Aktorik Einführung in lichttechnische Messmöglichkeiten

4 Inhalt Grundlagen der Lichttechnik Vier lichttechnische Grundgrößen Messtechnik Lampen Leuchten Scheinwerfer Rückstrahler Signalbild Regelungen

5 Literatur Licht und Beleuchtung Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung Schmidt-Clausen, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Beleuchtungstechnik Baer, Grundlagen, 2. Auflage, Verlag Technik Berlin, 1996 Grundlagen der Lichttechnik - Kompendium Gall, Pflaum-Verlag, 2004 Technische Optik G. Schröder, 8. Auflage, Vogel Buchverlag Würzburg, 1998 Grundlagen der Lichttechnik Siegfried Kokoschka, Karlsruhe 2003 Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht Karsten Klinger, Karlsruhe 2003

6 Literatur Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr Eckert, Verlag Technik, 1993 Sehen und Verkehr B. Gramberg-Danielsen, Springer-Verlag, 1967 Sehen und gesehen werden B. Lachenmayr, Verlag Shaker, 1995 Automotive Lighting and Human Vision Wördenweber, B.; Wallaschek, J.; Boyce, P.: Springer Verlag 2007

7 Sichtbare Strahlung - Licht Licht Elektromagnetische Strahlung Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 3!10 8 m/s Wellenlänge! = 380 nm nm Charakterisierung Wellenlänge oder Frequenz Intensität Monochromatische Strahlung Eng begrenzter Wellenlängenbereich Spektralfarbe c =!! "

8 Spektrale Wirkungsfunktion Wirkungsfunktionen Pflanzenwachstum Hautbräunung Helligkeitswirkung

9 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(!)-Funktion Relative spektrale Strahlungsleistung S(!) eines Temperaturstrahlers bei einer Temperatur von 2856 K (sog. Normlichtlichtart A)

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

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

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

13 V(!) - Funktion 1 0,5 0 V(!) 555 nm Wellenlänge! [nm] 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

14 V(!) - Funktion, Helmholtz-Kohlrausch Effekt Helmholtz-Kohlrausch Effekt: In V(!) nur achromatischer Anteil der Helligkeit enthalten Bunte Strahlung wird heller, als unbunte Strahlung empfunden.

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

16 Purkinje - Effekt Purkinje ( ) V (!) bewertetes Leuchtdichtebild Blaue Kreise heller Rote Kreise nicht mehr sichtbar V(!) bewertetes Leuchtdichtebild Blaue und rote Kreise kaum sichtbar Gelbe Kreise am hellsten

17 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]

18 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]

19 Sonnenstrahlung Extraterrestrische Bestrahlungsstärke W/m" Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche W/m"

20 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

21 Geometrie

22 Wirksame Fläche Wirksame Fläche A # A cos # Ausstrahlwinkel $

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

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

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

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

27 Raumwinkel, Zahlenwerte Vollraum Halbraum Kreiskegel mit $= ' sr 2' sr 1 sr 4' sr 2' sr 1 sr

28 Raumwinkelprojektion Auf Kugeloberfläche projizierte Fläche A 1 Fläche A 2 Raumwinkelprojektion da 1p = da K 1 cos! Projizierte Fläche A 1p Raumwinkel A r K! = " 2 sr [Bild: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie] A 1p = " A 1p = r 2 sr da K 1 cos! " A 1p = d r 2!% ) # $ sr & ' cos( # cos!d"! p = cos"d! #

29 Raumwinkelprojektion des Halbraums # Raumwinkelprojektion! p = cos"d! # Integration in Polarkoordinaten d! = sin"d"d# 2& $ % % # =0 " =0! p = cos" sin"d"d#! p = " sin 2 # sr Halbraum $ = 90 :! p = "sr

30 Lichttechnisches Maßsystem

31 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. In Luft entspricht eine Frequenz von 5,40(10 14 Hz einer Wellenlänge von 555 nm, bei der V(!) = 1 ist.

32 Das lichttechnische Maßsystem - Candela 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!

33 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.

34 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen: ) [ Phi ] Maximales photometrische Strahlungsäquivalent K m = 683 lm/w

35 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

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

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

38 Grundgrößen - Leuchtdichte A p Name: Leuchtdichte Einheit: Candela pro Quadratmeter [ cd/m" ] Zeichen: L L =! A p " A p = A cos # L = I A p

39 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

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

41 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

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

43 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

44 Photometrisches Entfernungsgesetz E = L! " I = L! A! = A r 2 E = E = I r 2 I cos! r 2 # r

45 Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler h Lichtquelle r Empfänger r h = "! 0,0010 0,1 31,6 0,0025 0,25 20,0! 0,005 0,5 14,1 0,01 1 9,95 1!! [%] r / h 0,03 3 5,69 0,04 4 5,03

46 Messtechnik Cos-Anpassung Ideale Fläche - Lambert-Strahler V(!) Filter Elektrische Beschaltung

47 Cosinus - Gesetz Photometrischen Grundgesetz: %% da cos! # = L $ da$ cos! $ d" " A : Wirksame Fläche Mit I =! und bei gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich: " I = d! d" = L # da $cos% A Bei sehr kleiner Fläche A ergibt sich: I = L! A!cos" Lambertstrahler # I

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

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

50 Silizium - Empfänger, Filterung Filter

51 Silizium - Empfänger, elektrische Beschaltung Photostrom I PH [ma] R A = 0 % R A = 500 % R A = 1000 % Si - Empfänger OP Gegenkoppelwiderstand Beleuchtungsstärke E [lx] R A Si - Empfänger

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

53 Lichtstärkemessgerät Blenden Zur Streulichtunterdrückung Flächenelement Legt den Raumwinkel fest

54 Leuchtdichtemessgerät Objektiv Feldlinse Feldblende Si - Empfänger Empfängt Strahlung Filter V(!) - Anpassung

55 Leuchtdichtekamera Objektiv Feldlinse Feldblende Farbrad V(!) - Anpassung CCD - Chip Empfängt Strahlung

56 U-Kugel, Aufbau Messobjekt Hilfslampe U-Kugel Innen beschichtet Lichtmesskopf Messung der indirekten Beleuchtungsstärke Abschatter

57 U-Kugel, Kugelfaktor Messung: E ind =! "K Kugelfaktor: K = 1 A! " 1# " Messung: E ind =! A " # 1$ # E ind : indirekte Beleuchtungsstärke ) : Lichtstrom des Messobjektes K : Kugelfaktor * : mittlerer Reflexionsgrad der Kugelwand Kugelfaktor abhängig von: Kugeleigenschaften Eingebrachtem Messobjekt

58 U-Kugel, Messung Lichtstrommessung:! = 1 K "E ind Messablauf: 1) Lichtstrommessung der Normallampe E N =! N " K N 2) Lichtstrommessung der Hilfslampe E NH =! NH " K N 3) Lichtstrommessung des Messobjektes E X =! X "K X 4) Lichtstrommessung der Hilfslampe E XH =! XH " K X

59 U-Kugel, Rechnung Normallampe:! N = 1 E N K N! NH E NH = 1 K N! N E N =! NH E NH! N E N "E NH =! NH Messobjekt:! X = 1 E X K X! XH E XH = 1 K X! X E X =! XH E XH! X E X " E XH =! XH Lichtstrom der Hilfslampe ist konstant:! NH =! XH! N E N " E NH =! X E X "E XH! X =! N " E X E N " E NH E XH

60 Goniophotometer Messobjekt + = Lichtmesskopf Messung der Lichtstärke! = Aufgrund der photometrischen Grenzentfernung sehr grosse Abmessungen notwendig, daher meist komplizierter Aufbau.

61 Drehspiegel-Goniophotometer

62 Stoffkennzahlen Reflexionsgrad! = reflektierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " r " 0 Transmissionsgrad! = transmittierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " t " 0 Absorptionsgrad! = 1" # " $ Da Energieerhaltung gilt: 1=! + " + #

63 C Normen DIN oder 5032 Lichtmessung DIN 5033 Farbmessung DIN 6169 und CIE 13.2 Farbwiedergabe Genauigkeitsklassen für Beleuchtungsstärkemessgeräte: Klasse Gesamtfehler L 3 % A 5 % B 10 % C 20 %

64 Lichtstrom Lambertstrahler E = L!" p E A! =! = LA" p! p = " sin 2 # Lambertstrahler strahlt in Halbraum ab ( $ = 90 ).! = " #L # A Beleuchtete lambertsche Fläche abgestrahlter Lichtstrom! = "E #A Mit: *: Mittlerer Reflexionsgrad

65 Umrechnung Objekt: Glühlampe Leistung Lichtstrom P = 100 W ) = lm Raumwinkel % = 4' Lichtstärke I = ) / % I, 100 cd Durchmesser d = 0,055 m Fläche A p, 0,002 m" Leuchtdichte L = I / A p L, cd / m! Abstand Arbeitsfläche r = 1 m Beleuchtungsstärke E = I / r" E = 100 lx Leuchtdichte L = * E /! P! P = ' Reflexionsgrad * = 0,3 L, 10 cd / m 2

66 Praktische Messtechnik

67 Beleuchtungsstärke - Messung E

68 Lichtstärke - Messung E r I = E! r 2

69 Leuchtdichte - Grundsätzliche Gedanken A????? E L = I A p = E!r 2 A p r

70 Leuchtdichte - Leuchtende Fläche A h $ E r A =!h 2 h r = tan! h = r tan!

71 Leuchtdichte - Rechnung ( ) 2 =!r 2 tan 2 " A =! r tan" L = I A p = E!r 2 A = E r 2 "r 2 tan 2 # = E!const

72 Leuchtdichte - Messung E E E L = E! const

73 Lichtstrom - Grundsätzliche Gedanken A Kugel A K = 4!r 2 E A E! E = A r E =! E A E

74 Lichtstrom - Rechnung Lichtquelle strahlt gleichverteilt in den Vollraum ab:! E A E =! K A K! K =! E A E A K! =! E A E A K! = E " 4#r 2

75 Lichtstrom - Messung E r! = E " 4#r 2

76 Ausblick

77 Gremien und Regelungen Erarbeitung der Regelungen durch Gremien: GRE GTB CIE Nationale Gremien (FKT-SAL) Aktuelle ECE-Regelungen: Internet-Seiten der UN

78 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

79 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

80 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

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

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

83 Thermik im Scheinwerfer [Quelle: L-LAB, Sascha Nolte]

84 Luftströmung [Quelle: ISAL 2009, Hyunseok Cho]

85 Optik-Simulation

86 Leuchten Lichtverteilung von Rückleuchten Laut ECE-Regelung 7

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

88 LED-Scheinwerfer

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

90 Schwenkmodul [Quelle: Automotive Lighting]

91 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]

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

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

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

95 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

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

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

98 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

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

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

101 Aktuelle Forschung - Untersuchungen Einfluss der Konstruktion auf die Wahrnehmung Homogenität Kontrast Erkennbarkeitsentfernung Blendung (Spektraler Einfluss) Energieeffizienz Bewertungsverfahren Adaptive / Dynamische Systeme

102 Aktuelle Forschung - Ziele Energieeinsparung Gewichtsreduzierung / Verbrauchsreduzierung Erhöhung der Sicherheit / Reduzierung der Unfalltoten Erhöhung des Komforts