Licht- und Displaytechnik Einführung

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Susanne Böhler
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1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik Einführung von Karsten Klinger Wintersemester 2007/2008

2 Vorlesung Licht- und Displaytechnik Allgemeine Informationen Vorlesungen: Prof. Dr. Uli Lemmer Dr. Manz Dipl.-Ing. Klinger Dipl.-Ing. Domhardt Übungen: Dr. Kooß Fragen Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Telefon: Unterlagen Folien: Scripte: Prüfung: Vorkenntnisse: PDF-Dateien auf der LTI-Homepage Umfangreichere Skripte vorhanden mündlich, Termin nach Vereinbarung Grundkenntnisse der Optik

3 Administratives Teilnehmerliste für kurzfristige Änderungen Vorlesung am fällt aus. Nächste Vorlesung: 9.11.

4 Nächste Veranstaltung Karlsruhe Days of Optics & Photonics 5 and 6 November 2007 Symposium on Monday - 5 November Plenary lectures of internationally well-known experts in the field of Optics & Photonics Company contact fair on Tuesday - 6 November "Future of Optical Technologies" mayer@ksop.de

5 Vorlesungsinhalt Das Auge Lichtbeschreibung Physikalische Strahlungsbewertung Grundgrößen Das lichttechnische Masssystem Messtechnik Visuelle Leistungsfähigkeit Licht und Farbe (Helligkeit, Normvalenzen, Farbberechnungen, Farbmodelle, Farbmischung)

6 Vorlesungsinhalt Psychophysik (Messung psychophysikalischer Größen) Lichtquellen (physikalische Grundlagen, Temperaturstrahler, Gasentladung, Elektrolumineszenz) Betriebs- und Steuergeräte Wirkungsgrade Leuchten und Scheinwerfer (C-Ebenen und andere Messsysteme) Displaytechnik Simulation (Optik-Design)

7 Literatur Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Grundlagen der Photometrie, Otto Reeb Verlag G. Braun, Karlsruhe, 1962 Grundlagen der Lichttechnik, E. Helbig 1972 Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka Karlsruhe, 2003 Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karsten Klinger, Karlsruhe 2003 DIN 5031, Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik

8 Literatur Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert Verlag Technik, 1993 Sehen und Verkehr, B. Gramberg-Danielsen Springer-Verlag,1967; Grundlagen der Lichttechnik - Kompendium, Dietrich Gall Richard Pflaum Verlag, 2004 Auge und Gehirn - Neurobiologie des Sehens, David H. Hubel Spektrum der Wissenschaft, 1989 Systemtheorie der visuellen Wahrnehmung, G. Hauske B.G. Teubner Stuttgart, 1994 Auge Brille Auto, Werner D. Bockelmann Springer-Verlag, 1987

9 Elektromagnetische Strahlung Strahlungsphysikalische Lichttechnische Größen Radiometrie Photometrie Wie viele Photonen? Wie viel Energie? Wie viel Licht? Wie hell? Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Licht: emittierte Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm

10 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

11 Bewertung der Strahlung Der Detektor entscheidet über die Bewertung der Strahlung. Im Falle von Beleuchtungs- und Displayanwendungen ist dies das menschliche Auge. Ansonsten ist die spektrale Charakteristik des Detektors entscheidend.

12 Radiometrie vs. Photometrie

13 Lichttechnische Optik Berücksichtigt Gesetzmäßigkeiten aus: Wellenoptik Quantenoptik Geometrische Optik Psychophysikalische Untersuchungen Erforschen Wirkung des Lichtes auf den Menschen Lichttechnische Größen Beschreiben Wirkung des Lichtes auf den Menschen

14 Lichttechnische Systeme Lichttechnische Systeme Lichterzeugung Lichtsteuerung Lichtlenkung Lichtwirkung

15 Das Auge [Quelle: David H. Hubel, Auge und Gehirn]

16 Querschnitt durch das Auge Die besonderen Eigenschaften des Auges und des visuellen Systems schaffen Anforderungen an Produkte der Licht- und Displaytechnik, die nicht allein mit den üblichen Begriffen der Beschreibung elektromagnetischer Strahlung (z.b. dem in W/m 2 angegebenen Strahlungsfluss) beschrieben werden können.

17 Aufbau des Auges Pupille Variable Eintrittsblende Netzhaut Bildfläche Linse Brechkraft kann durch Ziliarmuskeln feinjustiert werden. Brechkraft: B = 1 f ' Variabel zwischen Dioptrien (dpt) (davon! 43 beim Eintritt durch Hornhaut)! f ' " 1,4 # 1,6 cm Brechkraft- Anpassung durch Akkommodation

18 Brechkraftanpassung Ein Fahrer muss ständig akkommodieren, z.b. beim Wechsel des Blickes von der Straße auf die Instrumente. Die Fähigkeit zum Akkommodieren nimmt mit dem Alter stark ab. Eine zentrale Motivation für Head-up- Displays ist, dass der Fahrer ohne Akkommodation zusätzliche Information aufnehmen kann. Der Nahpunkt rückt im Alter immer weiter weg.

19 Alterung, Bevölkerungsentwicklung

20 Trübung der Linse mit fortschreitendem Alter Die Katarakt betrifft rund 99 Prozent aller Menschen über 65 Jahre. In Deutschland werden pro Jahr etwa Personen an diesem Leiden operiert.

21 Linsentrübung im Auge [Quelle: W. Adrian]

22 Augfehler [Quelle: W.D. Bockelmann]

23 Die Netzhaut als optischer Empfänger

24 Schnitt durch die Netzhaut Ca Zapfen: Hellsehen, in reiner Form bei Leuchtdichten L > 100 cd/m 2, Farbensehen Ca Stäbchen: Nachtsehen, in reiner Form bei Leuchtdichten L < 0.08 cd/m 2, keine Farbempfindlichkeit

25 Adaption, Leuchtdichtebereich Anpassung des Auges über extremen Leuchtdichtebereich: Änderung der Pupillenöffnung Variation um Faktor 16 Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen Verschaltung der Sehzellen -

26 Adaption Adaption durch Variation des Pupillendurchmessers Ordinate: Notwendiger Leuchtdichteunterschied zur Erkennung eines Sehobjektes ( gerade erkannt )

27 Dichteverteilung von Stäbchen und Zapfen Extreme Zapfendichte in der Netzhautgrube (Fovea Centralis) in der Mitte des gelben Flecks. Als weitere ausgezeichnete Stelle gibt es auf der Netzhaut den blinden Fleck, bei dem der Sehnerv aus dem Auge herausgeführt wird.

28 Blinder Fleck Rechtes Auge schließen, zuerst auf die 3 fixieren und dann auf 4 und 5.

29 Elektrische Signale beim Sehvorgang Sehvorgang Absorption von Licht in Zapfen/Stäbchen Komplexe photochemische und elektrochemische Prozesse Elektrische Impulse zum Sehnerv

30 Elektrische Signale beim Sehvorgang

31 Hellempfindlichkeit bestimmen Bei gleicher physikalischer Strahldichte erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell. Aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern entstand 1924 die spektrale Hellempfindlichkeitskurve.

32 Hellempfindlichkeit

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

34 Hellempfindlichkeit der verschiedenen Zapfen Farbsehen durch verschiedene Zapfen

35 Bestimmung der Unterschiedsempfindlichkeit

36 Unterschiedsempfindlichkeit

37 Unterschiedsempfindlichkeit, Beispiel

38 Sehschärfeverteilung Landoltring Abhängigkeit der Sehschärfe vom Netzhautort

39 Sehschärfe in Abhängigkeit der Adaptionsleuchtdichte

40 Sehschärfe, Beispielsimulation Sehschärfe 1 Sehschärfe 0.3

41 Sehschärfe im Alter [Quelle: W. Adrian]

42 Das Auge - weitere Literatur Das Auge, Jörg Trotter, DOZ-Verlag, Heidelberg, 2004 [Quelle: David H. Hubel, Auge und Gehirn]

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