Optische Technologien im Automobil

Transkript

1 Optische Technologien im Automobil Forschungs Universität Karlsruhe (TH) von Dr. Dipl.-Ing. Karsten Klinger Dr. Dieter Kooß Sommersemester

2 Inhalt Signalbild Reflexionsarten Reflektortypen Rückstrahlwerte Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 2

3 Signalbild LKW Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 3

4 Reflexion und Retroreflexion Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 4

5 Grundlagen: Reflektion Forschungs Universität Karlsruhe (TH) - Einfallswinkel = Ausfallswinkel - Reflexion kann für unterschiedliche Wellenlänge unterschiedlich sein - kann zur Farbfilterung eingesetzt werden - kann zur Abbildung eingesetzt werden - kann als Reflektor eingesetzt werden 5

6 Grundlagen: Reflektionsarten Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 6

7 Unterschied Reflektion Retro-reflektion Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 7

8 Grundlagen: Snell sches Brechungsgesetz Snell sches Brechungsgesetz Forschungs Universität Karlsruhe (TH) -Licht wird im optisch dichteren Medium zum Einfallslot hin gebrochen 8

9 Prismenplatten Forschungs Universität Karlsruhe (TH) n 1 : Brechzahl Luft n 2 : Brechzahl Prismen 9

10 Materialtypen Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Grenzwinkel der Totalreflexion: f = (n r)/2(n-1) für n = 2 f = r sin( Θ T ) = 10 n n 1 2

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12 Typ 1 Folien Reflexmaterial mit Mikroglaskugeln in Material eingebettet Forschungs Universität Karlsruhe (TH) [Aus: ) Deckschicht 2) Reflektionsschicht 3) Glaskugeln 4) Zwischenschicht 5) Trägerschicht 6) Klebstoff 7) Lichtfluss

13 Typ 2 Folien Reflexmaterial mit in Kammern eingebundenen Mikroglaskugeln Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 1) Deckschicht 2) Schweißnaht 3) Luftisolationsschicht 4) Glaskugeln 5) Reflektionsschicht 6) Trägerschicht 7) Klebstoff 8) Lichtfluss 13

14 Beispiele - Typ 2 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 14

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16 Typ 3 Reflexstoffe auf Basis von Mikroprismen Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 1) Deckschicht 2) Schweißnaht 3) Luftisolationsschicht 4a) Mikroprisma 7) Trägerschicht 8) Klebstoff 9/10) Lichtfluss 16

17 Rückstrahlwerte - Anleuchtwinkel Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 17

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19 Einfluss von Betauung auf die Wirkung von Rückstrahlern 19

20 Problem Betauung Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 20

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22 Messmethoden zur Bestimmung des Rückstrahlwertes Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 22

23 Lichttechnische Größen Photometrisches Entfernungsgesetz I = E r 2 Mit der Beleuchtungsstärke E orthogonal zur Rückstrahlerebene und dem Abstand r Rückstrahler Beobachter Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Lichtstärke von Reflektoren Leuchtdichte L von Reflektoren L = R (α,β,ε) E Mit spezifischem Rückstrahlwert R ( β ) E r I 2 23

24 Zahlenwerte Stand der Technik (2005) Rot: mcd/lx Gelb: mcd/lx Weiß: mcd/lx Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Rückstrahlwerte gelten für ein Messfeld von 10x10 cm. 24

25 Tabelle 3 1 Mindestrückstrahlwerte R in in cd lx Material Farbe 4 x18 cm 2 6 cm Glas Weiß Gelb Rot Kunststoff Weiß Gelb Rot

26 Tabelle Mindestrückstrahlwerte R in cd lx m von Reflexstoffen zur Verkehrssicherung entsprechend DIN Aufsichtfarbe α=0,33 β V = 5, β H = 0 α= 2 β V = 30, β H = 0 Typ 1 Typ 2 Typ 1 Typ 2 Rot ,3 0,3 Orange ,6 0,6 Gelb ,0 1,0 Grün ,2 0,2 Blau 2,5 7,5 0,08 0,08 Purpur 2 6 0,1 0,1 Weiß ,4 2,4 26

27 Tabelle 1 1 Mindestrückstrahlwerte R in cd lx von roten Rückstrahlern an Kraftfahrzeugen entsprechend der ECE-Regelung 3 Klasse Beobachtungswinkel α Beleuchtungswinkel β β V β H I A , ,5 III A Messfläche 100cm² (maximal) 27

28 Winkel α: Beobachterwinkel β: Anleuchtwinkel ε: Verdrehungswinkel Forschungs Universität Karlsruhe (TH) S: Lichtquelle A: Beobachter BE: Beobachterebene EE: Beleuchtungsebene O: Flächennormale 28

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30 3 Reflektortypen 1: Typ 1 2: Typ 2 3: Typ 3 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 1 β: Anleuchtwinkel R : spezifischer Rückstrahlwert 2 30

31 Reflektortypen 1: Typ 1 2: Typ 2 3: Typ 3 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 3 1 α: Beobachterwinkel R : relativer spezifischer Rückstrahlwert 2 31

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36 Spectral Distribution of Different Light Sources 1 0,9 0,8 0,7 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) rel. Intensity 0,6 0,5 0,4 D2 D4 0,3 A 0,2 D65 LED-21 0,1 LED Wavelength [nm] 36

37 Surface Colour for Traffic Signs CIE ,900 0,800 0,700 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) y 0,600 0,500 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 0,800 x CIE Red 39.2 Yelow 39.2 Green 39.2 Orange 39.2 White 39.2 Blue

38 Surface Colors for Traffic Signs 0,600 0,500 0,400 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 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 38

39 Anwendung Rückstrahler im Fahreugbereich 39

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41 Farb-Konvertierungsfaktor für Rückstrahlwerte von Rückstrahlern unterschiedlicher Farbe Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Farbe weiß: gelb: rot: 4,0 2,5 1 Faktor 1,6 1 0,4 1 0,625 0,25 41

42 Vergleichstabelle für die Rückstrahlwirkung verschiedener rückstrahlender Einrichtungen der Farbe Gelb bei einem Beobachtungswinkel α = 1/3 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Regelung R3 IA IV A R 70 Meßfläche cm ² min. 678 mcd/lx Rückstrahlwert cd/lxm² , ,5 122 mcd/lx 20 cm²

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45 Lichttechnik im Automobil Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 45

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47 Anwendung Rückstrahler für Verkehrszeichen 47

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50 Durchschnittliche Beleuchtungsstärken in relativen Werten, senkrecht zur Anleuchtungsrichtung gemessen. Quelle H. Frank 50

51 Das drei Blick ( look ) Modell zum Wahrnehmungsprozess der Information eines Verkehrszeichens. Quelle: CIE TC 4-40, Draft:REQUIREMENTS FOR RETROREFLECTIVE TRAFFIC SIGNS 51

52 Blickbereiche in Bezug zum Abstand: Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 52

53 Quelle: H.-J. Schmidt-Clausen 53

54 Position typische Montagehöhe E / lx E rel / % Kompensations- Factor E*/1 überkopf linke Seite Forschungs Universität Karlsruhe (TH) rechte Seite links unten rechts unten Durchschnittliche Beleuchtungsstärken in absoluten und relativen Werten, senkrecht zur Anleuchtungsrichtung gemessen. Der Kompensationsfaktor E* bezieht sich auf eine Anleuchtungsentfernung von 70m Die typische Montagehöhe ist auf die Unterkante des Schildes bezogen. Quelle H. Frank 54

55 Quelle: H.-J. Schmidt-Clausen 55

56 Erkennen von Verkehrszeichen 1 1: Mit Blendung durch entgegenkommendes Fahrzeug 2: Ohne Blendung Forschungs Universität Karlsruhe (TH) C L Z : Leuchtdichte von Verkehrszeichen d: Beobachterentfernung A: Optimales Erkennen B: Gutes Erkennen C: Schwelle des Erkennens Quelle: H.-J. Schmidt-Clausen 56

57 Quelle: H.-J. Schmidt-Clausen 57

58 Quelle: H.-J. Schmidt-Clausen 58

59 Kategorie Autobahn Landstraße Stadtstraße Dunkel Umfeld Hell Sehr hell Tabelle 1: Typische minimale Weißleuchtdichten L min / cd m -2 in Abhängigkeit von Straßenkategorie und lichttechnischem Umfeld Quelle H. Frank 59

60 Kategorie Autobahn Landstraße Stadtstraße Bereich fern mittel nah Typische Entfernungen d/m 100 d 300 m 50 d 150 m 30 d 70 m Typische Beobachtungswinkel α/ 0,13 α 0,41 0,27 α 0,84 0,59 α 1,43 Tabelle 2: Typische Entfernungs- und Beobachtungswinkelbereiche (PKW) für verschiedene Straßenklassen. Quelle H. Frank 60

61 Quelle: Meseberg 61

62 Tabelle 4 Grenzwerte für Leuchtdichtefaktoren für Aufsichtfarben Aufsichtfarbe Nicht retroreflektierend Retroreflektierend Typ 1 Typ 2 Rot 0,07 0,05 0,03 Orange 0,22 0,17 0,14 Gelb 0,50 0,27 0,16 Grün 0,10 0,04 0,03 Blau 0,05 0,01 0,01 Purpur 0,05 0,03 0,02 Weiß 0,75 0,35 0,27 Grau A 0,29 bis 0, Grau B 0,08 bis 0, Schwarz 0,

63 Quelle: Gerdes 63

64 Quelle: Gerdes 64

65 Quelle: Gerdes 65

66 Quelle: Gerdes 66

67 Anwendung Straßenmarkierung 67

68 Reflexion auf Straßen Forschungs Universität Karlsruhe (TH) [Aus: Hentschel, Licht und Beleuchtung] 68

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70 Rückstrahlwerte - Beobachterwinkel Forschungs Universität Karlsruhe (TH) 70

71 Anwendung Rückstrahler für Warnkleidung 71

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73 Anwendung Warnmarkierung 73

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76 Literaturangaben Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka, Karlsruhe 2003 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) CIE TC 4-40, Draft: REQUIREMENTS FOR RETROREFLECTIVE TRAFFIC SIGNS, H. H. Meseberg,Verkehrszeichensymposium Bundesanstalt für Straßenwesen FGLT/IVZ 76

77 Literatur Karsten Klinger, Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karlsruhe 2003 Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Eckert, Vorlesungsunterlagen zu Automobile Lichtund Displaytechnik Karlsruhe 2005 Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Verlag Technik, 1993 Gramberg-Danielsen, Sehen und Verkehr, B. Springer- Verlag,1967; 77