Fachgebiet Lichttechnik Grundlagen der Lichttechnik

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1 Grundlagen der Prof. Dr.-Ing. Stephan Völker

2 Übersicht 1. Definitionen zu Licht (Welle-Teilchen-Dualismus; Licht und Energie) 2. Lichtausbreitung (Quantenoptik; Wellenoptik; Raumwinkel) 3. Physiologie (Auge, Helligkeit, Farbe) 4. Grundgrößen (Feldgrößen) 5. Energieaustausch (Fotometrisches Grundgesetz) 6. Stoffkennzahlen 7. Optik 2

3 Übersicht Übersichtsvortrag zu ausgewählten Gebieten I II III Zweck der automobilen Beleuchtung Scheinwerfer der Zukunft Weitere Forschungsthemen 3

4 Übersicht Übersichtsvortrag zu ausgewählten Gebieten I II III Zweck der automobilen Beleuchtung Scheinwerfer der Zukunft Weitere Forschungsthemen? 4

5 Zweck der automobilen 1. Sehen 2. Gesehen werden (Bewegungsrichtung & Bewegungsänderung) 3. Wohlbefinden und Ermüdungsfreiheit 5

6 Zweck der automobilen 1. Sehen 2. Gesehen werden (Bewegungsrichtung & Bewegungsänderung) 3. Wohlbefinden und Ermüdungsfreiheit Von welchen Faktoren abhängig? 6

7 1. Auge 7

8 1. Auge Spektrale Hellempfindlichkeit Stäbchen Relative spektrale Empfindlichkeit 1 0 Zapfen 8

9 2. Lichtquellen Spektrale Verteilung X V = K m X e V() d 9

10 Lichttechnische Maßzahlen Helligkeit (Hellempfindung) = Leuchtdichte; spektrale Verteilung 10

11 2. Lichtquelle LED Kerze H 7 GDL 11

12 Lichtverteilung 12

13 Lichtverteilung 13

14 Lichtverteilung Hot-Spot: hohe Beleuchtungsstärken (> 10 lx) Breite Ausleuchtung (> 1 lx) Hell-Dunkel Grenze > 20:1 bei +/-5H nur geringes Streulicht oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze 14

15 3. Lichtlenkung 15

16 3. Lichtlenkung 16

17 3. Lichtlenkung 17

18 Übersicht Übersichtsvortrag zu ausgewählten Gebieten I II III Zweck der automobilen Beleuchtung Scheinwerfer der Zukunft Weitere Forschungsthemen 18

19 Optimierungsproblem Zweck der Beleuchtung 1. Sehen 2. Gesehen werden (Bewegungsrichtung & Bewegungsänderung) 3. Wohlbefinden und Ermüdungsfreiheit 19

20 Adaptive Beleuchtung Technische Voraussetzungen Sensors - Für die Erkennung von Verkehrsdichte und Wetter Actoren Für angepasste Lichtverteilung Netzwerk Für die Steuerung der Lichtverteilung der einzelnen Leuchten und der Interfahrzeugkommunikation 20

21 Adaptive Beleuchtung Technische Voraussetzungen Sensors - Für die Erkennung von Verkehrsdichte und Wetter Actoren Für angepasste Lichtverteilung Netzwerk Für die Steuerung der Lichtverteilung der einzelnen Leuchten und der Interfahrzeugkommunikation 21

22 Modellierung von Licht Zeitlich dynamische Lichtstromverteilung 75 % 50 Φ(t) ns Örtlich dynamische Lichtstromverteilung Λ(γ,φ,t)*Φ(t) Y X Integrale zeitlich und örtl. Lichtstromverteilung Φ(γ,φ) = Λ(γ,φ,t)*Φ(t) dt 22 [Strauß 2006] 22

23 Adressierbare Lichtquelle [Strauss 2007] 23

24 Adressierbare Lichtquelle [Strauss 2007] 24

25 Adressierbare Lichtquelle [Strauss 2007] 25

26 Adresssierbare Aktoren Mikrospiegel Array High-Vario-Xenon Druckluft Piezomotoren Gleichstrommotoren 26

27 Adresssierbare Aktoren Mikrospiegel Array High-Vario-Xenon Druckluft Piezomotoren Gleichstrommotoren 27

28 Scannender Spiegel [Strauss 2007] 28

29 B. Lichtverteilung mit LED-Array 29 [Kenter 2006] 29

30 B. Lichtverteilung mit LED-Array [Kenter 2006] 30

31 Adresssierbare Aktoren Mikrospiegel Array High-Vario-Xenon Druckluft Piezomotoren Gleichstrommotoren 31

32 DMD [Strauss 2007] 32

33 DMD [Strauss 2007] 33

34 Aktorik 34

35 Übersicht Übersichtsvortrag zu ausgewählten Gebieten I II III Zweck der automobilen Beleuchtung Scheinwerfer der Zukunft Weitere Forschungsthemen 35

36 Weitere Forschungsfelder 36

37 Weitere Forschungsfelder der 37

38 Licht & Energie / Nutzung von Tageslicht ARTHELIO Heliostat HQI-Lampe Mischungseinheit Hohllichtleiter 38

39 Licht & Energie / Nutzung von Tageslicht ARTHELIO 39

40 Licht & Energie / Nutzung von Tageslicht ARTHELIO 40

41 Licht & Energie / Nutzung von Tageslicht Himmelszustand UDim [V] EV1 [lx] EV2 [lx] EV3 [lx] E m,horiz. [lx] bedeckt heiter klarer Himmel ARTHELIO 41

42 Licht & Energie / Nutzung von Tageslicht 42

43 Licht & Energie Nutzung von Tageslicht 43

44 Weitere Forschungsfelder 44

45 Licht & Energie Messtechnik 45

46 Licht & Energie / Messtechnik Hohllichtleiter-Goniophotometer 46

47 Licht & Energie / Messtechnik Bidirektionale Messungen Lichteinfall: ϕ 1,θ 1 Abstrahlung: L(ϕ 2,θ 2 ) E(ϕ 1,θ 1 ) 47

48 Weitere Forschungsfelder 48

49 Lichtquellen Bekannte Lichtquellen: 1. Glühlampen 2. Gasentladungslampen 3. LED Entwicklung 49

50 Lichtquellen Neue Gasentladungslampen: 1. Quecksilberfrei 2. Schwefellampe 3. Planon 50

51 Lichtquellen Neue Gasentladungslampen: 1. Quecksilberfrei 2. Schwefellampe 3. Planon 51

52 Lichtquellen Lampenfüllung mit Hg: Leuchtstofflampen: ca. 5 mg / Lampe Hochdrucklampen (400W): ca. 30 mg / Lampe Hg Höchstdrucklampen: > 100 mg / Lampe Lampenfüllung mit Hg in Deutschland: 1,5 t / Jahr 52

53 Licht & Umwelt Quecksilberfreie Hochdrucklampe 53

54 Lichtquellen Neue Gasentladungslampen: 1. Quecksilberfrei 2. Schwefellampe 3. Planon 54

55 Licht & Umwelt Schwefellampe kontinuierliches sonnenlichtähnliches Spektrum wenig IR- und UV-Strahlung sehr hohe Lichtausbeute dimmbar (20-100%) sehr hohe Lebensdauer nahezu flickerfrei umweltfreundlich (quecksilberfrei) Spektrale Verteilung der Strahlungsemission der Schwefellampe 55

56 Lichtquellen Neue Gasentladungslampen: 1. Quecksilberfrei 2. Schwefellampe 3. Planon 56

57 Licht & Umwelt Planon Dielektrisch Behinderte Entladung (DBE) 20 kpa 150 nm nm h UV 60% 45 lm / W 7.5 kcd / m² homogen Hg-frei 57

58 Licht & Umwelt Licht Glasplatte Phosphor Xe * 2 Xe + Xe h ν + UV-Strahlung + Xe + Xe e - Xe * 2 + e - Xenon Gas Glasplatte Kathode Anode Barrierenschicht Xe 2 * Xe + Xe + hν 58

59 Weitere Forschungsfelder 59

60 1. Auge 60

61 Licht und Gesundheit Relative spektrale Empfindlichkeit a 2b Act -Me l a.f pw 1: Melatoninsuppression 2: Visuelle Empfindlichkeit a: Du nkeladaptation b: Helladaptation Daten Thapan, et al Brainard, et al.2001 Quelle Piazena, H.: Cirkadiane Wirksamkeit der Solarstrahlung (2004) Wellenlänge [nm] 61

62 Zusammenfassung Fachvortrag I II III Zweck der automobilen Beleuchtung Scheinwerfer der Zukunft Weitere Forschungsthemen 62

63 Herzlich Willkommen an der Fakultät Elektrotechnik in Berlin wünscht Prof. Dr. Stephan Völker auch im Namen aller Kollegen und Mitarbeiter 63