Vorlesung: Licht- und Displaytechnik; 0. Einleitung

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1 Vorlesung: Licht- und Displaytechnik; 0. Einleitung I.0 Allgemeine Informationen: Prof. Dr. Uli Lemmer//Dr. Manz/Dr. Kooß/Dipl.-Ing. Klinger Dipl.-Ing. Domhardt/Dipl.-Ing. Schellinger Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Tel: URL: Folien: als.pdf-file von der LTI-Homepage herunterzuladen (Umfangreichere) Skripte vorhanden Prüfung: mündl., Termin nach Vereinbarung Vorkenntnisse: Grundkenntnisse der Optik

2 Studienmodell Optische Technologien

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4 LiD i Licht - und D isplaytechnik Vorläufige Terminplanung Vorlesung Licht - und D isplaytechnik W S 2005/2006 W ahpflichtfach, mit R echenübungen und Saalübungen Stand: Termin Thema Dozent Lichttechnik I (Lichtbeschreibung, P hysikalis che S trahlungsbewertung) Lem m er Lichttechnik II (Das A uge bis V (lam bda)) Lem m er Lichttechnik III (Das lichttechnische M asssystem, Lichtm esstechnik) K ooss Licht und Farbe (Helligkeit, Norm valenzen, Farbberechnungen) M anz S im ulation, O ptik -Design Dom hardt S aalübung I: Lichttechnik K linger P sychophysik (M essung psychophysikalischer G rößen) K linger V isuelles S ystem (A ufbau und Funktion) M anz A nzeigeinstrum ente, M ensch - M aschine Interface (Head - up Displays) S chellinger Lichtquellen (physikalische G rundlagen, Tem peraturstrahler, G asentladung, K linger E lektrolum ineszenz) Leuchten Lichtlenkung (P rinzipien, Reflektoren, O ptiken) S cheinwerfer M anz / K linger A daptive S chei nwerfer, Leuchten M anz B etriebs - und S teuergeräte, A nbindung an B ordnetz, CA N -B us 3.2. Displaytechnik I Lem m er Displaytechnik II Lem m er Fahrerassistenzsystem e/nachtsicht Regelwerke K ooss

5 Literaturhinweise 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

6 Literaturhinweise 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

7 0. Einleitung: Was ist Lichttechnik? -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

8 I. Grundlagen der Lichttechnik Strahlungsphysikalische Lichttechnische (Photometrische) Größen (Radiometrische) Wieviele Photonen? Wieviel Energie? Wieviel Licht? Wie hell? Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Licht: em. Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm

9 Grundlagen der Lichttechnik 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

10 Radiometrie vs. Photometrie

11 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.

12 XII.1 Abb: Querschnitt durch das Auge

13 Pupille: variable Eintrittsblende Netzhaut: Bildfläche Linse: Brechkraft kann durch Ziliarmuskeln feinjustiert werden -1 Variabel zwischen 60-70m Dioptrien (dpt) Brechkraft: D = 1 f ' (davon! 43 beim Eintritt durch Hornhaut)! f ' " 1,4 # 1,6 cm D- Anpassung durch Akkommodation

14 Brechkraftanpassung Ein Fahrer muß ständig akkommodieren, z.b. beim Wechsel des Blickes von der Straße auf die Instrumente. Die Fähigkeit zum Akkommodation 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.

15 Fehlsichtigkeit Abb: Strahlenverlauf bei Fehlsichtigkeit Kurzsichtigkeit: Brennpunkt vor der Netzhaut Weitsichtigkeit: Brennpunkt hinter der Netzhaut

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17 Schnitt durch die Netzhaut VI.3: Querschnitt durch die Netzhaut ca Zapfen: Hellsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten > 100 cd/m 2 ) - Farbensehen ca Stäbchen: Nachtsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten < 0.08 cd/m 2 ) - keine Farbempfindlichkeit

18 Adaptation Anpassung des Auges über einen extremen Leuchtdichte bereich: - Änderung der Pupillenöffnung Variation um Faktor 16 - Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen - Verschaltung der Sehzellen

19 Dichte von Zapfen und Stäbchen 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.

20 Blinder Fleck (rechtes Auge schliessen, zuerst auf die 3 fixieren und dann auf 4 und 5)

21 Elektrische Signale beim Sehvorgang - Absorption von Licht in Zapfen/Stäbchen Sehvorgang: -komplexe photochemische und elektrochemische Prozesse - elektrische Impulse zum Sehnerv

22 Elektrische Signale beim Sehvorgang

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24 Hellempfindlichkeit - bei gleicher physikalischer Strahldichte erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell - aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern enstand 1924 die spektrale Hellempfindlichkeitskurve

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26 II.: Das lichttechnische Maßsystem A K Typische Situation in der Lichttechnik: - Punkt sendet strahlenförmig aus - strahlenförmige Einstrahlung auf einen Punkt

27 XII.2: Das lichttechnische Maßsystem Von Radiant zu Steradiant: 2! AK Räumlich: Ak Ak! = 2 sr (Steradiant) = 2!0 r r Voller Raumwinkel: Planar: Winkel im Bogenmaß!b = b rad (Radiant) r Voller Kreisbogen 2! " = 4! sr # 12,5sr differentiell: d! = Halbraum: " = 2! dak!0 2 r

28 Raumwinkel: Beispiele Kreiskegel u. Kugelabschnitte A K Raumwinkel eines geraden Kreiskegels: # = 2! (1$ cos " )sr allgemein:! " 2 2 # = # $ $ 0 sin" d" d!! " 1 1

29 Beispiel: Raumwinkel eines Rechtecks Projizierte Kugelfläche ist relevant: daproj da d" = = cos! # sr 2 2 r r a b da " # ab = $ $ cos! # 2 r x= 0 y = 0 0 =! " # a b $ # arcsin h h $ # 2 2 $ #! a "! b " 1 1 $ # + # + h $ # h $ % & % & $ % &

30 Raumwinkelprojektion Für Strahlungsaustausch von einer Fläche zu einer anderen Fläche wichtig: Raumwinkelprojektion: da = cos! da 1p k1 -hier geht noch der Winkel zwischen den beiden beteiligten Flächenelementen ein projizierter Raumwinkel: " = cos! d" p # (")

31 Strahlungsfluß Strahlungsfluß von der Fläche A 1 zur Fläche A 2 : $ $! = L da cos" d# e12 e # A 1 1 Strahlungsfluß φ e Index e wie energetisch [φ e ]=W Strahldichte L e 2 L e = d! e dacos" d#