Optische Technologien im Automobil

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Optische Technologien im Automobil von Dr. Karl Manz Dipl.-Ing. Karsten Klinger Sommersemester 2006

2 Administratives Weitere Vorlesungen: Blockvorlesung Ende Juli oder weiterer Freitag in vorlesungsfreier Zeit

3 Licht und Farbe Inhalt Auge Farbdreieck Farbwiedergabe Farbsysteme Farbabstand

4 Sichtbares Spektrum Sichtbarer Spektralbereich mit energiegleichem Spektrum Sichtbarer Spektralbereich mit menschlichem Hellempfinden [Quelle: Richter]

5 Das Auge Nachtsehen Stäbchen Anzahl: Zapfenarten L-Typ rot 570 nm M-Typ grün 540 nm S-Typ blau 430 nm Tagsehen Zapfen Anzahl: Rot : Grün : Blau 4 : 16 : 1 Skotopisch Mesopisch Photopisch Dunkel 10-3 cd/m² 10 cd/m² Hell

6 Innerer Aufbau des Auges

7 Absorptionskurven von Zapfen und Stäbchen Absorptionskurven der drei Spektraltypen von Zapfen in der Netzhaut (durchgezogene Linien) und der Stäbchen (gestrichelt). [Nach Dartnall, 1983]

8 Normspektralfunktionen

9 Normspektralwertfunktionen

10 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

11 Farbwertanteile Koordinaten im CIE-Farbdreieck x = X + X Y + Z y = Y z = 1- x - X + Y + Z y z y 1 x x

12 Unbuntpunkt Farbe: Weiss Farbwertanteile: x W = 0,333 y W = 0,333 Lage: Etwas unterhalb der Plankschen Strahlung Ähnlichste Farbtemperatur: 5500 K

13 Ähnlichste Farbtemperatur Farbtemperatur: Farbort des schwarzen Strahlers bei einer bestimmten Temperatur Planksche Kurve

14 Normlichtarten Normlichtart A Glühlampe Farbtemperatur 2856 K Normlichtart D 65 Mittlere Tageslichtphase Ähnlichste Farbtemperatur 6500 K

15 Spektren der Normlichtarten Strahlungsfunktionen der Normlichtarten A und D65 sowie der Lichtarten C, B und D55

16 Spektren von Lichtquellen Spectral Distribution of Different Light Sources 1 0,9 0,8 0,7 0,6 rel. Intensity 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D2 D4 A D65 LED-21 LED Wavelength [nm]

17 Farbwiedergabe Stufe subjektive Bewertung Ra-Bereich 1A sehr gut > 90 1B A gut B mäßig schlecht Farbwiedergabeindex R a

18 Farbtongleiche Wellenlänge Farbe F im CIE - Farbdreieck Farbwertanteile: x F, y F Farbtongleiche Wellenlänge Gerade von Unbuntpunkt E durch Farbe F Schnittpunkt mit Spektralfarbenzug ist die Spektralfarbe der farbtongleichen Wellenlänge Farbwertanteile: D F x d, y d Berechnung spektraler Farbanteil p e = y y F d!! y y W W oder p e = x x F d!! x x W W E

19 Dominante Wellenlänge Vorteil: Beschreibt die Farbe einer LED mit einem Wert Nachteil: Keine exakte Beschreibung des tatsächlichen Farbortes x Relative Strahldichte λ

20 Farbstimmung Adaption des Auges an mittlere Leuchtdichte vorherrschende Farbe (bei geringer Sättigung) Farbstimmung Weißabgleich Farbumstimmung Farbstich DIN 5033 Teil 1 Absatz 12: Die Farbstimmung wird durch diejenige Farbart beschrieben, die jeweils als unbunt empfunden wird.

21 Farbabgleich Schematischer Versuchsaufbau zur Messung von spektralen Farbwerten. Die realen Messungen erfolgten mittels spezieller optischer Geräte, z.b. dem Helmholtz'schen Farbmischapparat. Im linken Photometerfeld werden die 3 Grundfarben so gemischt, daß eine Farbgleichheit zwischen diesem Feld und der vorgegebenen Spektralfarbe besteht.

22 Eigenschaften des Farbabgleichs Farbabgleich ist extensiv Gleichheit ist vollständig Heterochromer Helligkeitsabgleich ist intensiv Gleichheit gilt nur für Helligkeit Farbattribute Buntton und Buntheit können unterschiedlich sein

23 CIE-xyY-System

24 Farbsehschwächen erkennen

25 Leuchtdichte und Helligkeit

26 Einfluss der Adaptationsleuchtdichte

27 Einfluss der Schwelle Weitere Einflüsse: Darbietungszeit Leuchtdichte Sehwinkel

28 Beobachtungswahrscheinlichkeiten Farbgrenzen mit Beobachtungswahrscheinlichkeiten 50%, 70% und 90%

29 Erkennung farbiger Lichtsignale am Tag

30 Erkennung farbiger Lichtsignale bei Nacht

31 Farben von Lichtsignalen

32 Farben von Lichtsignalen (farbig)

33 Farbsättigung Je höher die Sättigung der Farbe eines Signals, um so höher ist dessen Auffälligkeit.

34 Gleichabständigkeit Liegen bei gleicher Strecke auch gleiche Farbabstände vor?

35 Farbabstand nach DIN DIN 5033 Teil 1 Absatz 18: Die Größe des empfindungsgemäßen Unterschiedes zwischen zwei Farben heißt Farbabstand.

36 UCS-Farbtafel

37 UCS Lu v Berechnung

38 MacAdam Experiment

39 MacAdam Ellipsen in xy-koordinaten Ellipsen in zehnfacher Vergrößerung dargestellt

40 MacAdam Ellipsen

41 MacAdam Ellipsen in u*v*-koordinaten

42 MacAdam Ellipsen als Kreise

43 CIE-UVW und CIE-Lu*v* Koordinaten

44 CIELAB-System Farben sind relativ zu Referenzweiß X 0 /Y 0 /Z 0

45 CIELAB-System Doppelkegel

46 CIELAB-System Farbebene

47 CIELAB Farbabstand (L*a*b*) Bezugsfarbe B Probenfarbe P!E = ( L!! P " L ) " B + ( a!! P " a ) " B + ( b!! P " b ) " B Ungenauigkeit: Helligkeitsdifferenz geht mit gleicher Gewichtung in Farbabstand ein, wie Farbdifferenz

48 CIELAB Farbabstand Beispiel!E = ( L!! P " L ) " B + ( a!! P " a ) " B + ( b!! P " b ) " B

49 CIELAB-System mit Ellipsen Toleranzellipsen im L*a*b*-System in der Ebene L*=50% Color Difference System CMC (l:c) Toleranzellipsen im L*a*b*-System

50 Neue Farbsysteme Zwei alternative Systeme basieren auf CIELAB Vergleichbare Exaktheit DIN99 CIE-DE2000 DIN99 einfacher berechenbar

51 Farbsystem DIN99 Helligkeit L!! = "#$%$"! &' (" + #%#"$(! L ) ) Differenz ( ) - +!".( b % " &'()* o # a % " (+,)* o )! =!"!#$ a % " &'()* o + b % " (+,)* o Abminderung k =!" # +!! ( ) ( ) -

52 Farbsystem DIN99 Helligkeit L!! = "#$%$"! &' (" + #%#"$(! L ) ) Rot-Grün Buntheit a!! = "# ( $ +! )! Gelb-Blau Buntheit b!! = "# ( $ +! )! "( a % " &'($) o + b % " (*#$) o ) "(%& '( b ( " )*+$, o # a ( " +-#$, o ))

53 Farbsystem DIN99 Farbabstand Bezugsfarbe B Probenfarbe P!E!! = ( L!!P " L ) "!!B + ( a!!p " a ) "!!B + ( b!!p " b ) "!!B

54 Bewertung von Farbreizen Schematische Darstellung der 3 grundsätzlichen Anwendungsbereiche der farbmetrischen Bewertung von Farbreizen. Primär gilt das Normvalenzsystem für unbezogene, freie Farben, da die Spektralfarbwerte nur für diese Beobachtungssituation gemessen wurden. Die Anwendung erstreckt sich aber auch für Selbstleuchter und beleuchtete Objekte unter realen Bedingungen, also auf bezogene Farben.

55 Dreibereichs-Farbmessung Prinzipien von Farbmessungen nach dem Dreibereichsverfahren Links: In einem Farbmeßkopf befinden sich 3 Empfänger, die mit Hilfe von Farbfiltern (Voll- oder Partialfilterung) an die Normspektralfunktionen angepaßt wurden. Wegen der örtlich nebeneinanderliegenden Empfänger muß der Meßkopf möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Rechts: Die Anpassungsfilter (i.a. Vollfilter) werden zeitlich nacheinander vor einen einzigen Empfänger eingeschoben. Damit kann ein Leuchtdichtemeßgerät zur näherungsweisen Farbmessung verwendet werden. (Die Genauigkeit der Messung kann durch eine Matrixkorrektur verbessert werden.)

56 Dreibereichsfarbmessgerät

57 Messung von Reflexionen Gerichtete Reflexion Diffuse Reflexion

58 Messgeometrie nach DIN 5033 Diese Messgeometrie ist auch, hinsichtlich der Betrachtung mit Tageslicht, für retro-reflektierende Farbproben anzuwenden, wobei die Lichtart C oder heutzutage vorzugsweise die Lichtart D65 zur Beleuchtung benutzt werden.

59 Messung von retroreflektierenden Materialien Im Fall von retro-reflektierenden Proben in Bezug auf die retroreflektierende Wirkung Farbmesssystem Lichtquelle der Lichtart A

60 Reflexionsmessung mit Spektrometern Optische Anordnung bei Messung mit Spektrometern

61 CRT-Monitor Farbphosphore Relative spektrale Strahldichteverteilungen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau eines Farbbildschirms, wobei der Maximalwert auf jeweils 100 normiert wurde. Außerdem ist das aus diesen Grundfarben erzeugte Spektrum für die neutrale Farbe Weiß bzw. Unbunt dargestellt.

62 Farbdreieck mit verschiedenen Lichtquellen

63 Farbmischungen Substraktive Farbmischung Additive Farbmischung

64 Trichromatische substraktive Farbmischung Grundfarben: C cyan M magenta Y yellow Mischfarbe: Schwarz

65 Substraktive Farbmischung Gelb Magenta Cyan Gelb + Magenta Relative spektrale Transmissionsgrade der Farbpigmente Gelb, Magenta und Cyan, die bei Farberzeugungsprozessen nach dem Prinzip der subtraktiven Farbmischung eingesetzt werden. Werden z.b. die Pigmente Gelb und Magenta hintereinander angeordnet, dann wird nur Strahlung im Langwelligen durchgelassen. Das Ergebnis wäre ein rötlich aussehendes Pigment.

66 Substraktive Farbmischung - Mischfarben Subtraktive Farbmischungen Gelb und Magenta ergibt Rot Gelb und Cyan ergibt Grün Cyan und Magenta ergibt Blau Gelb und Cyan und Magenta ergibt Schwarz Bei Farbdrucken werden neben den Grundfarben Gelb, Cyan und Magenta auch weiße und schwarze Farbstoffe verwendet. Weiß ist als subtraktive Farbmischung nicht darstellbar.

67 Additive Farbmischung

68 Zwei Farben Weiss Blau und Leuchtstoff RGB - Spektrum

69 Additive Farbmischung - LEDs Erzeugung von Licht der Farbe Weiß durch additive Farbmischung: Durch Benutzung von drei einzelnen roten, grünen und blauen LEDs Bei richtiger Abstimmung wird die sich ergebende Farbe weiß sein. RGB- Chips nm Blue Chip + 1 Phosphor Ein LED-Chip der Farbe Blau zusammen mit einem Phosphor-Überzug (Gelb) zur Farbmischung benutzen. Eine UV-LED und drei Phosphore der Farben Rot-Grün-Blau zur additiven Farbmischung benutzen. UV- Chip nm Phosphore nm [Quelle: Osram; GTB Task Force - LED Forward Lighting - presentation]

70 Additive Farbmischung - Mischfarben Folgende Mischungsregeln sind charakteristisch für die additive Farbmischung: Additive Farbmischungen Rot und Grün und Blau ergibt Unbunt Rot und Grün ergibt Gelb Rot und Blau ergibt Magenta (Purpur, Pink) Grün und Blau ergibt Cyan (Blaugrün)

71 Fahrzeugrückleuchten

72 Verkehrszeichen

73 Farben für Verkehrszeichen nach CIE ,900 0,800 0,700 y 0,600 0,500 0,400 CIE Red 39.2 Yelow 39.2 Green 39.2 Orange 39.2 White 39.2 Blue ,300 0,200 0,100 0,000 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 x

74 Farben für Verkehrszeichen mit Testfarben nach CIE ,800 0,700 0,600 0,500 y 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 x Das Diagramm zeigt die Farbbereiche für Verkehrszeichen wie sie in der CIE-Publikation Nr.: 39 definiert für die Beleuchtung mit Tageslicht festgelegt sind. Die Punkte zeigen dem Farb-Orte der 14 Testfarben der CIE-Publikation Nr.: 13.3 bei Beleuchtung mit der Lichtart D65.

75 Farborte digitaler Testfarben Surface Colors for Traffic Signs 0,600 0,500 0,400 y 0,300 0,200 0,100 0,000 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 x Resultierende Farborte für digitale Testfarben (Filterfunktionen) in Abhängigkeit von der spektralen Verteilung der jeweiligen Lichtquelle. Die Ergebnisse für die Filterfunktion ROT sind mit Ο, für ORANGE mit, für GELB mit, für BLAU mit, für die Lichtart A mit vollen Kreisen und für Lichtart D65 mit vollen Dreiecken gekennzeichnet.

76 Farbgrenzen für Signale im Straßenverkehr nach CIE [Quelle: Eckert, Lichttechnik, Seite 234, Bild 8.39]

77

78 Licht und Farbe im Verkehr

79 Farbmanagement Transport von Farbinformation in bildgebenden und bildverarbeitenden Systemen

80 Normfarbwertermittlung Die Ermittlung der Normfarbwerte für beliebig vorgegebene Strahlungsverteilungen erfolgt dann gemäß: " 2 $ X = k!(")# x( ") d" " 1 " 2 $ Y = k!(")# y( ") d" " 1 (3.8) wobei bedeuten: " 2 $ Z = k!(")# z( ") d" " 1 X, Y, Z: die zu bestimmenden Normfarbwerte; k: eine zweckmäßig zu definierende Konstante; : die Normspektralwertfunktion; x( "), y( "), z( ") " 1," 2 : Grenzen des sichtbaren Bereichs;!("): die sog. Farbreizfunktion. Das ist bei Selbstleuchtern die Strahlungsfunktion S("). Bei Körperfarben ist!(") = S(")%R("), wenn R(") deren Reflexionsfunktion ist.

81 Normspektralwerte x = X X y = Y = X + Y + Z S X + Y + Z = Y S z = Z X + Y + Z = Z S mit x + y + z = 1

82 Bestimmung des bispektralen Strahldichtefaktors Φ Φ Φ L λ Spektrometer Monochromator λ Messfläche λ Messungen zur Bestimmung des bispektralen Strahldichtefaktors Monitor Normierung Detektor Messwerte

83 Zwei Monochromator Methode

84 Fluoreszierende Farben

85 Bispektraler Strahldichtefaktor Bestimmung des bi-spektralen Strahldichtefaktors β(μ,λ) aus den Messdaten für Probe und Reflexionsstandard Eintragen der Normfarbwertanteile x und y zur Kennzeichnung der Farbart in der Normfarbtafel Farbort Es gilt: x + y + z = 1

86 Additive Farbmischung bei Druck und Monitoren Zur Erklärung der additiven Farbmischung. Bildteil a zeigt die Übereinander-projektion dreier Projektoren, von denen jeder mit einem anderen Farbfilter, z.b. einem Rot-, einem Grün- und einem Blaufilter bestückt ist. Bildteil b zeigt vergrößert die Farbpixel eines Farbbildschirms. a) Bildteil c zeigt die Vergrößerung eines Flächenstückes eines Mehrfarben-druckes. Dargestellt sind neben-einanderliegende, zum Teil sich überdeckende Druckfarben Gelb, Cyan und Magenta. Der Farbeneindruck wird auch durch das Papierweiß bestimmt. b) c)